Vi håller på att översätta vår butik till svenska!
Men eftersom vi har många produkter och sidor tar det tid. Under tiden finns vår produktkatalog på engelska. Tack för ditt tålamod!
Handledning: Expansionskoefficienter för material - Materialvetenskapsteori
Materialens expansionskoefficienter spelar en avgörande roll i materialvetenskapen. Expansionskoefficienter beskriver hur dimensionerna hos ett material förändras under påverkan av temperaturfluktuationer. Den här artikeln ger en omfattande introduktion till ämnet, inklusive grunderna i termisk expansion, påverkansfaktorer och olika mätmetoder. Vi jämför också typiska expansionskoefficienter för materialklasser och förklarar deras användning i olika branscher. Slutligen tar vi itu med termiska påfrestningar och sätt att förhindra skador från temperaturskillnader i material.
Användning och betydelse av expansionskoefficienter
Vid konstruktion och tillverkning av maskiner och system spelar kunskap om expansionskoefficienter av material en avgörande roll när det gäller maskinteknik och anpassad maskinkonstruktion.
- Precision och dimensionell noggrannhet: Inom maskinteknik är precision av stor betydelse, särskilt för verktygsbyggnad för stämpling och formsprutningsapplikationer och för precisionsutrustning. Expansionskoefficienterna för de material som används måste beaktas för att säkerställa att komponenterna bibehåller sin dimensionella noggrannhet när temperaturerna förändras. Att förstå de termiska expansionsegenskaperna hjälper ingenjörer att ta hänsyn till exakta dimensioner och toleranser och för att säkerställa komponenternas och maskinernas dimensionsnoggrannhet.
- Passning och montering: Vid konstruktion av maskiner måste delar ofta sammanfogas med olika material, såsom skruvar, bultar eller presspassningar. Materialens expansionskoefficienter måste vara kompatibla för att undvika oönskade påfrestningar och deformationer under drift. Korrekt utformning och montering, med hänsyn till termisk expansion, är avgörande för att säkerställa en säker och permanent anslutning.
- Linjära styrningar och glidlager: I maskiner som använder linjära gejdrar eller glidlager är det viktigt att överväga den termiska expansionen av gejdskenorna eller gejdelementen. Gejdernas expansionskoefficienter måste matchas med de omgivande bostädernas eller strukturens för att säkerställa smidig rörelse och konsekvent funktionalitet.
- Temperaturkompensation: I vissa maskintekniska tillämpningar kan driftstemperaturerna förändras avsevärt, t.ex. i smältverk eller högtemperaturprocesser. Kunskap om expansionskoefficienterna för de använda materialen gör det möjligt att utveckla termiska kompensationssystem som minimerar deformation eller skador på maskiner och komponenter vid förändrade temperaturer.
Typiska expansionskoefficienter för materiallängd
Materialens expansionskoefficienter kan variera kraftigt beroende på materialklass.
Metall
Metaller har vanligtvis en relativt hög linjär expansionskoefficient.
- Expansionskoefficient för aluminium: 23 x 10-6 K-1
- Expansionskoefficient för koppar: 16.5 x 10-6 K-1
- Expansionskoefficient för järn: 12 x 10-6 K-1
- Expansionskoefficient för stål: 12 x 10-6 K-1
- Expansionskoefficient för nickel: 13 x 10-6 K-1
Obs! Denna information är endast avsedd som referens.
Polymerer
Polymerer har vanligtvis en signifikant högre expansionskoefficient jämfört med metaller.
| Material | Expansionskoefficient [x 10-6 K-1] |
|---|---|
| Polyeten (PE) | 100 to 250 |
| Polypropylen (PP) | 100 to 200 |
| Polystyren (PS) | 50 to 100 |
| Polyvinylklorid (PVC) | 50 to 80 |
Obs! Denna information är endast avsedd som referens.
Kompositer
Kompositer består av flera materialkomponenter som är sammanbundna i en matris. Expansionskoefficienterna för kompositmaterial kan variera kraftigt och beror på de enskilda komponenternas proportioner.
Det är viktigt att notera att plast också kan ha negativa expansionskoefficienter. Temperaturförändringar skapar påfrestningar i dessa komponenter, vilket kan ha fördelar och nackdelar.
Grunderna för termisk expansion
Termisk expansion är ett grundläggande fysikaliskt fenomen som gör att ett materials dimensioner förändras när det utsätts för temperaturförändringar. Denna effekt uppstår på grund av rörelsen av atomer eller molekyler i materialet. När temperaturen ökar, så ökar partiklarnas genomsnittliga kinetiska energi, vilket resulterar i expansion av materialet.
Den linjära expansionskoefficienten är en fysisk parameter som anger hur mycket längden på ett material ändras per enhetslängd när det utsätts för en temperaturförändring. Den kvantifierar den linjära expansionen av ett material längs en viss riktning, såsom längs en axel, en tråd eller stav.
Formellt sett definieras den linjära expansionskoefficienten (αL) som den relativa förändringen i längd (ΔL/L0) för ett material per temperaturförändring (dT). Definitionen är:
\alpha_L = \frac{\frac{\Delta L}{L_0}}{d T}
- αL ist der lineare Ausdehnungskoeffizient in der Einheit 1/K (Kelvin).
- ΔL ist die Änderung der Länge des Materials in einer bestimmten Richtung.
- L0 ist die ursprüngliche Länge des Materials, bevor es der Temperaturänderung ausgesetzt wurde.
- dT ist die Temperaturänderung in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C)
Ett positivt värde på den linjära expansionskoefficienten innebär att materialet expanderar och förlängs när temperaturen ökar. Ett negativt värde skulle innebära att materialet krymper och drar ihop sig i takt med att temperaturen ökar. De flesta material har en positiv linjär expansionskoefficient, vilket innebär att de expanderar när de värms upp och dras ihop igen när de kyls.
Den linjära expansionskoefficienten varierar vanligtvis med temperaturen. En expansionsanomali kan uppstå i närheten av fasomvandlingar – till exempel under smältning eller stelning. Denna avvikelse orsakas av förändringar i materialets struktur eller aggregerade tillstånd och är även känd i termodynamiken som en kritisk punkt eller omvandlingspunkt. Denna kritiska punkt kan vara avgörande när det gäller design av komponenter eller utrustning, eftersom extra försiktighet måste iakttas för att undvika skador orsakade av termisk stress.
Beräkningsexempel för termisk expansionskoefficient
En dilatometer används för att undersöka ett prov med en längd på 0,1 m av stål vid en referenstemperatur på 20 °C. Vid 35 °C har materialet en längd på 0,100018 m.
\alpha_L = \frac{\frac{\Delta L}{L_0}}{d T}
\alpha_{L,Stahl} = 12 \times 10^{-6} K^{-1}
Linjär expansion
Linjär expansion beskriver förändringen i längden på ett material i en viss riktning när det utsätts för en temperaturförändring. Denna typ av expansion förekommer i material som har en viss geometrisk form, såsom stavar, ledningar eller rör. Linjär expansion innebär att materialet expanderar längs en axel eller linje.
- L0 - Ursprunglig längd
- L1 - Utökad längd
- ΔL - Ändring i längd
Den linjära expansionskoefficienten (αL) kvantifierar denna typ av expansion och anger hur mycket längden på ett material ändras per längdenhet per Kelvin (K) eller grader Celsius (°C). Ett positivt αL innebär att materialet expanderar när temperaturen ökar, medan ett negativt αL indikerar att materialet krymper när temperaturen ökar.
Ytutvidgning av material vid temperaturförändringar
Ytexpansionen beskriver förändringen i ett materials yta under temperaturförändringar. Detta sker med material som har platta, tvådimensionella former, såsom plattor eller plåt.
Områdesexpansionen är en kombination av den linjära expansionen i två ortogonala riktningar.
- W0 - Ursprunglig bredd
- W1 - Utökad bredd
- ΔW - Ändring i längd
- L0 - Ursprunglig längd
- L1 - Utökad längd
- ΔL - Ändring i längd
Areaxpansionskoefficienten (αA) anger hur mycket arealen av ett material ändras per areaenhet per Kelvin eller grader Celsius. Den är associerad med den linjära expansionskoefficienten (αL) och materialets dimension.
Areaxpansionskoefficienten beräknas utifrån areaförändringen, startarean och temperaturförändringen:
Utvidgningskoefficient αA
\alpha_A = \frac{\frac{\Delta A}{A_0}}{d T}
- αA ist der lineare Flächenausdehnungskoeffizient in der Einheit 1/K (Kelvin).
- ΔA ist die Änderung der Fläche des Materials in einer bestimmten Richtung.
- A0 ist die ursprüngliche Fläche des Materials, bevor es der Temperaturänderung ausgesetzt wurde.
- dT ist die Temperaturänderung in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C).
\alpha_A = 2 \times \alpha_L
Beräkningsexempel för koefficienten för termisk expansion av koppar
En kopparplåt med försumbar tjocklek har ett ursprungligt område A0 på 0,5 m x 1 m. Expansionskoefficient αL is 16.5 x 10-6 K-1. Temperaturen ökar med 20 K.
A_1 = A_0 + \alpha_A \times A_0 \times \Delta T
A_1 = 0.50027 m^2
Volymutvidgning av material
Volymexpansion beskriver förändringen i ett materials volym under temperaturförändringar. Detta är relevant för material som har en tredimensionell form, såsom kuber eller sfärer. Volymexpansion är en kombination av linjär expansion i tre ortogonala riktningar.
Volymutvidgningskoefficienten (αV) anger hur mycket volymen av ett material ändras per volymenhet per Kelvin eller grader Celsius. Den är associerad med den linjära expansionskoefficienten (αL) och materialets dimension.
Förhållandet mellan volymexpansionskoefficienten och den linjära expansionskoefficienten är:
Koefficient för volymexpansion αV
\alpha_V = \frac{\frac{\Delta V}{V_0}}{d T}
- αV ist der lineare Volumenausdehnungskoeffizient in der Einheit 1/K (Kelvin).
- ΔV ist die Änderung des Volumens des Materials in einer bestimmten Richtung.
- V0 ist das ursprüngliche Volumen des Materials, bevor es der Temperaturänderung ausgesetzt wurde.
- dT ist die Temperaturänderung in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C).
Vid små temperaturförändringar kan αV förenklas enligt följande:
\alpha_V = 3 \times \alpha_L
I de flesta fall har material en positiv linjär expansionskoefficient och expanderar därför vid uppvärmning. Det finns dock vissa material som har en negativ expansionskoefficient och kontrakt när temperaturen ökar, så kallad avvikande eller negativ termisk expansion.
Kunskap om de olika typerna av termisk expansion är av stor betydelse för att utforma och välja material i olika tillämpningar för att redogöra för och minimera potentiella problem på grund av temperaturförändringar.
Beräkningsexempel för expansionskoefficienten för aluminium
Ett aluminiumblock har en originalvolym V0 på 0,25 m x 0,25 m x 1 m. Expansionskoefficient αL is 23.1 x 10-6 K-1. Temperaturen ökar med 30 K.
V_1 = V_0 + \alpha_V \times v_0 \times \Delta T
V_1 \approx 0.06263 m^3
Faktorer som påverkar termisk expansion
Materialsammansättningen av ett material är en kritisk faktor som påverkar expansionskoefficienten. Materialsammansättningen bestämmer hur atomer eller molekyler i materialet rör sig och interagerar med varandra under temperaturförändringar, vilket i slutändan bestämmer materialets termiska expansionsegenskaper.
- Homogena material: Material tillverkade av ett enda element eller förening har vanligtvis en väldefinierad och konstant expansionskoefficient över ett visst temperaturintervall.
- Kompositer: Material som består av olika faser eller komponenter kan ha mer komplexa termiska expansionsegenskaper. De olika expansionskoefficienterna för komponenterna kan resultera i inre påfrestningar, särskilt när faserna expanderar vid olika temperaturer.
Påverkan av mekanisk stress
Påverkan av mekanisk belastning på den termiska expansionen av ett material är en viktig aspekt som måste beaktas vid analys och design av strukturer och komponenter. Mekanisk stress avser exponering av ett material för externa krafter som orsakar deformation eller stress i materialet. Detta kan leda till en förändring av materialets termiska expansionsegenskaper.
- Elastiska material uppvisar reversibel deformation när de utsätts för mekanisk påfrestning. Detta innebär att de återgår till sin ursprungliga form efter att lasten har tagits bort, såsom gummiband eller tätningar.
- Plastmaterial å andra sidan uppvisar irreversibla deformationer under mekanisk stress som inte helt återkommer när stress avlägsnas, till exempel böjning av en metalltråd eller pressning av en metallbit.
Mekanisk belastning kan leda till interna påfrestningar i materialet som kan påverka termisk expansion. När materialet utsätts för mekanisk påfrestning kan atomer skifta eller omorganiseras i vissa delar av materialet, vilket kan leda till lokala skillnader i expansionsegenskaper. Dessa interna påfrestningar kan orsaka en icke-uniform expansion av materialet under temperaturförändringar.
Mätmetoder för att bestämma expansionskoefficienten
Dilatometri är en vanlig metod för att mäta termisk expansion av material. Ett prov av det material som testas sätts in i en dilatometertestinställning, som är utrustad med en värme- och kylanordning. Provet utsätts för en definierad temperaturförändring medan materialets längdförändring mäts noggrant. Den linjära expansionskoefficienten kan beräknas genom att mäta förändringen i längd och känna till förändringen i temperatur.
Interferometri är en optisk metod som baseras på ljusvågornas interferensmönster. Denna metod använder en interferometer för att belysa ett prov. Interferensmönstret observeras då när provets temperatur ändras. Den linjära expansionskoefficienten bestäms genom att kartlägga ändringen i interferensmönstret till ändringen i provets längd. Interferometri ger exakta mätningar över ett brett temperaturområde.
