При нагревании железо расширяется или сужается

Содержание

Сталь при нагревании расширяется или сжимается

В таблице представлены значения коэффициента температурного расширения металлов (коэффициент линейного расширения металлов) в зависимости от температуры.

Значения коэффициента температурного расширения металлов даны для следующих металлов: алюминий Al, бериллий Be, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, железо Fe, золото Au, иридий Ir, кадмий Cd, кобальт Co, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, никель Ni, олово Sn, платина Pt, родий Rh, свинец Pb, серебро Ag, сурьма Sb, титан Ti, хром Cr, цинк Zn.

Коэффициент линейного теплового расширения металлов в таблице приведен со множителем 10 6 .
Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 10 6 , это значение составляет 22,8·10 -6 1/град.

Следует отметить, что к металлам с низким коэффициентом расширения относятся такие металлы, как вольфрам, молибден, сурьма, титан и хром. Наименьшее линейное удлинение при нагревании испытывает вольфрам — коэффициент линейного расширения этого металла составляет величину от 4,3·10 -6 при 0°С до 5,8·10 -6 1/град при температуре 2100°С.

Металлом, который максимально хорошо расширяется при нагреве, является цинк — его коэффициент температурного расширения имеет значение от 22·10 -6 до 34·10 -6 1/град. Также хорошо расширяются при нагревании такие металлы, как алюминий, кадмий и магний.

Примечание: температурные коэффициенты линейного расширения сталей (более 300 марок) представлены в этой статье.

Коэффициент теплового линейного расширения

Тепловое расширение – тенденция менять объем вещества в ответ на перемену в температурном показателе. Атомы и молекулы в твердом объекте все время проходят сквозь колебания в точке баланса. Это тепловое движение. Если вещество нагреть, то элементы ускоряют свое перемещение и устанавливают большие средние дистанции между собою. Степень расширения, деленную на перемену температуры, именуют коэффициентом теплового расширения.

Тепловое расширение удлиненных непрерывных участков рельсовых путей – движущая сила для изгиба рельс. В 1998-2002 гг. это стало причиной 190 железнодорожных крушений в США

Тепловое расширение твердых и жидких тел

Тепловое расширение – это изменение размеров и формы тел при изменении температуры. Математически можно высчитать объемный коэффициент расширения, позволяющий спрогнозировать поведение газов и жидкостей в изменяющихся внешних условиях. Чтобы получить такие же результаты для твердых тел, необходимо учитывать коэффициент линейного расширения.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

строение кристаллической решетки

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Температурный коэффициент линейного расширения металлов, твердых веществ, жидкостей (Таблица)

На сколько расширяется металл при нагревании

В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ металлов и сплавов в интервале от 0 до 100 °С (если не указана иная температура).

Металл, сплав Коэффициента линейного расширения ɑ, 10-6°С-1
Алюминий 2,4
Бронза 13-21
Вольфрам (в интервале температур от 0 до 200 °С) 4,5
Дуралюмин (при t = 20 °С) 23
Золото 14
Железо 12
Инвар* 1,5
Иридий 6,5
Константан 42339
Латунь 17-19
Манганин 18
Медь 17
Нейзильбер 18
Никель 14
Нихром (от 20 до 100 °С) 14
Олово 26
Платина 9,1
Платинит** (при t = 20 °С) 41920
Платина-иридий*** (от 20 до 100 °С) 8,8
Свинец 29
Серебро 20
Сталь углеродистая 43009
Цинк 32
Чугун (от 20 до 100 °С). 41952
* Этот сплав имеет весьма малый температурный коэффициент линейного расширения. Используется для изготовления деталей точных измерительных приборов.** Проводниковый материал, коэффициент линейного расширения которого такой же, как и у стекла; применяется при изготовлении электрических ламп.*** Из этого сплава изготовлены прототипы килограмма и метра.

Температурный коэффициент линейного расширения твердых веществ

В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ твердых веществ в интервале от 0 до 100 °С (если не указана иная температура).

Вещество Коэффициента линейного расширения ɑ, 10-6°С-1
Алмаз 1,2
Бетон (при t = 20 °С) 41913
Гранит (при t = 20 °С) 8
Графит 7,9
Древесина (при t = = 20 °С):
— вдоль волокон 5,5-5,5
— поперек волокон 34-60
Кварц плавленый (при * = 40 °С) 0,4
Кирпич (при t = 20 °С) 41885
Лед (в интервале температур от —20 до 0 °С) 51
Парафин (от 16 до 48 °С) 70*
Дуб (от 2 до 34 °С):
— вдоль волокон 4,9
— поперек волокон 54,4
Сосна (от 2 до 34 °С):
— вдоль волокон 5,4
— поперек волокон 34
Стекло лабораторное 41885
Стекло оконное (от 20 до 200 °С) 10
Фарфор 2,5-4,0
Шифер (при t = 20 °С) 10
* коэффициент объемного расширения парафина.

Температурный коэффициент обьемного расширения жидкостей

В таблице приведены средние значения температурного коэффициента обьемного расширения β жидкостей при температуре 20 °С (если не указана иная).

Жидкость Коэффициента обьемного расширения β, 10-6°С-1
Бензин 1240
Вода 200
Вода (в интервале от 10 до 20 °С) 150
Вода (от 20 до 40 °С) 302
Воздух жидкий (от -259 до -253 °С) 12600
Глицерин 505
Керосин 960
Кислород (от -205 до -184 °С) 3850
Нефть 900
Раствор соли (6%) 300
Ртуть 181
Серная кислота 570
Скипидар 940
Спирт 1080
Эфир 1600
Хлор (в интервале температур от -101 до -34,1 °С) 1410
Примечание. Связь между коэффициентами объемного (β) и линейного (а) расширений определяется следующим соотношением: β = 3а

Коэффициенты температурного расширения металлов

В таблице представлены значения коэффициента температурного расширения металлов (коэффициент линейного расширения металлов) в зависимости от температуры.

Значения коэффициента температурного расширения металлов даны для следующих металлов: алюминий Al, бериллий Be, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, железо Fe, золото Au, иридий Ir, кадмий Cd, кобальт Co, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, никель Ni, олово Sn, платина Pt, родий Rh, свинец Pb, серебро Ag, сурьма Sb, титан Ti, хром Cr, цинк Zn.

Коэффициент линейного теплового расширения металлов в таблице приведен со множителем 10 6 .
Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 10 6 , это значение составляет 22,8·10 -6 1/град.

Следует отметить, что к металлам с низким коэффициентом расширения относятся такие металлы, как вольфрам, молибден, сурьма, титан и хром. Наименьшее линейное удлинение при нагревании испытывает вольфрам — коэффициент линейного расширения этого металла составляет величину от 4,3·10 -6 при 0°С до 5,8·10 -6 1/град при температуре 2100°С.

Металлом, который максимально хорошо расширяется при нагреве, является цинк — его коэффициент температурного расширения имеет значение от 22·10 -6 до 34·10 -6 1/град. Также хорошо расширяются при нагревании такие металлы, как алюминий, кадмий и магний.

Примечание: температурные коэффициенты линейного расширения сталей (более 300 марок) представлены в этой статье.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Кривые охлаждения и нагрева чистого железа

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аrпри охлаждении и Ас при нагревании. В точках Аr2и Ас2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А с3и Аr3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Расширение, а не сокращение

Почему при нагревании материя расширяется? Все дело в форме типичного потенциала частичек. Если они расположены в твердых объектах и жидкостях, то постоянно ощущают наличие соседних элементов. В математике выражается как потенциальная кривая. На нижнем рисунке видно, что этот межчастичный потенциал выглядит как асимметрия. Отметьте, что на коротких дистанциях она становится более крутой. На диаграмме (b) видно, что с нагревом вещества средняя дистанция частичек увеличивается. Очень редко можно встретить материал, который при нагреве сожмется или сохранит форму. Эффект ограничивается по размеру и осуществляется только в определенных температурных диапазонах.

Температурный коэффициент линейного расширения стали

Представлены таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения сталей ТКЛР (или ТКР) распространенных марок (более 300 марок стали) при различных температурах в интервале от 27°С до указанной в таблицах. Для отрицательных температур приведены значения истинного коэффициента линейного расширения.

Температурный коэффициент линейного теплового расширения стали численно равен относительному изменению ее линейных размеров при увеличении (снижении) температуры этого сплава на 1 градус Цельсия или Кельвина.

При положительной величине ТКЛР в процессе нагрева сталь увеличивается в размерах (расширяется), при отрицательном значении этого коэффициента — сжимается. Отрицательным ТКЛР сталь обладает при сверхнизких температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15°С). В этих условиях коэффициент линейного расширения стали имеет малое отрицательное значение и практически равен нулю.

При температуре от 27 до 100°С температурный коэффициент линейного расширения стали в среднем составляет от 10 до 18·10 -6 град -1 . Сталь в нагретом состоянии (в зависимости от типа) при 900-1000°С может иметь ТКЛР до 24,6·10 -6 град -1 .

Рассчитаем линейное удлинение балки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т длиной 0,5 метра при повышении ее температуры с 27 до 1027°С. По таблице средний коэффициент линейного расширения стали 12Х18Н10Т в диапазоне температуры 27…1027°С равен 22,3·10 -6 град -1 . Выполним расчет: 22,3·10 -6 ·(1027-27)·0,5=0,0111. Получаем величину линейного удлинения балки 0,0111 м.

Углеродистые стали

В таблице приведены значения коэффициента линейного расширения углеродистой стали в интервале температуры от -173 до 1000°С. При нагревании такой стали ее ТКЛР увеличивается и может достигать 19,8·10 -6 град -1 (для стали У8) в диапазоне температуры 27-650°С.

Поскольку углеродистая сталь почти полностью состоит из железа и не содержит добавок никеля и хрома, ее ТКЛР в значительной мере определяется коэффициентом линейного расширения этого основного компонента. Например, максимальный коэффициент линейного расширения стали 20, как и у железа, составляет 14,8·10 -6 град -1 в диапазоне температуры от 27 до 700°С.

Коэффициенты линейного расширения углеродистой стали

Хромоникелевые низко- и среднелегированные стали

В таблице представлены температурные коэффициенты линейного расширения хромоникелевых низко- и среднелегированных сталей распространенных марок при температурах от -268 до 1000°С.

Наибольшим ТКЛР из рассмотренных в таблице марок обладает хромоникелевая сталь 12Х2Н4А и 12ХН3А, который в диапазоне 27-600°С равен 15,6·10 -6 град -1 .

Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия Мн — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью Rc=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Хромоникелевые стали и сплавы с содержанием никеля более 20%

Хромоникелевые стали с содержанием никеля более 20% имеют температурный коэффициент линейного расширения до 19,8·10 -6 град -1 (сплав ХН46Б). Сталью такого типа с наименьшим значением ТКЛР является 04ХН40МДТЮ, ее средний коэффициент линейного расширения при температуре до 100°С равен 8,2·10 -6 град -1 .

Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали с содержанием никеля более 20%

Марганцевые и хромомарганцевые стали

В таблице представлены средние значения коэффициентов теплового линейного расширения марганцевых и хромомарганцевых сталей в диапазоне температуры от -269 до 1000°С. Следует отметить, что минимальным ТКЛР при высоких температурах обладает сталь 30ХГСА.

Коэффициенты линейного расширения марганцевой и хромомарганцевой стали

Хромомолибденовые стали

Хромомолибденовые стали по сравнению с другими типами имеют относительно невысокие значения ТКЛР. Коэффициенты линейного расширения стали этого типа имеют величину 9,7…15,5·10 -6 град -1 при температурах до 1000°С.

Коэффициенты линейного расширения хромомолибденовой стали

Хромовольфрамовые и хромованадиевые стали

В таблице приведены средние коэффициенты линейного расширения хромовольфрамовых и хромованадиевых сталей для интервала температуры от 27 до 1000°С. По данным таблицы видно, что эти типы стали имеют схожие значения ТКЛР.

Коэффициенты линейного расширения хромовольфрамовой и хромованадиевой стали

Хромокобальтовые стали и сплавы

Хромокобальтовые стали имеют температурный коэффициент линейного расширения 12…17,7·10 -6 град -1 в условиях до 300°С и 15,5…17,8·10 -6 град -1 при высоких температурах. Следует особо отметить сталь 40К44Х20Н20М4В4Б4, средний коэффициент расширения которой практически не меняется в диапазоне от 300 до 1000°С.

Коэффициенты линейного расширения хромокобальтовой стали

Кремнистые, титановые и другие стали и сплавы

В таблице содержаться значения среднего коэффициента линейного расширения титановых, кремнистых и других сталей и сплавов в диапазоне температуры от 27 до 1000°С. Стали рассмотренных типов имеют относительно невысокий ТКЛР, который например у стали Э16 составляет всего 7·10 -6 град -1 при температуре 27-100°С.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий