Što je koeficijent toplinskog rastezanja i proračun kod zavarivanja?

Što je koeficijent toplinske ekspanzije ili CET?

The coefficient of thermal expansion is an estimate (change in size over a defined size at a specified temperature) of how much a metal expands when heated and contracts during cooling based on a specified temperature.

Materijali s višim koeficijentom toplinske ekspanzije imat će više širenja i skupljanja tijekom zagrijavanja i hlađenja, dok će se oni s nižim CET vrijednostima najmanje širiti i skupljati.

U proizvodnji zavarivanja, CET je izravno odgovoran za izobličenje jer su metali s višim CET vrijednostima skloni većoj nestabilnosti dimenzija i vrlo često rezultiraju izobličenjem.

To je fizičko svojstvo metala. Mjeri kako će se određeni materijali ponašati kada se zagriju.

Ove promjene su obično promjene u veličini, tj. povećanje veličine. Zbog različitih rasporeda atomske strukture, različiti materijali ponašaju se na različite načine nakon što se zagriju.

Ova promjena u ekspanziji mjeri se koeficijentom toplinske ekspanzije. Jedinica toplinskog rastezanja je µm/m · K ili 10–6/K.

Understanding the coefficient of thermal expansion

Metali kada su izloženi toplini šire se i skupljaju kada su izloženi hladnoći i obrnuto. Fenomen u kojem metal pokazuje ovu posebnu značajku poznat je kao koeficijent toplinskog širenja materijala.

Ova svojstva koja se odnose na toplinsku energiju materijala vrlo su vrijedna za inženjere i znanstvenike. Ovdje, u ovom postu, ograničavamo našu raspravu samo na Inženjerstvo zavarivanja.

Ovo svojstvo (α1 = koeficijent toplinskog širenja) može se prikazati matematičkom formulom kako je dano u nastavku:

Ovdje,l0 je početna duljina, lf je konačna duljina, T0– je početna temperatura i Tf je konačna temperatura.

Kako izmjeriti CTE ili koeficijent toplinske ekspanzije

Mjerenje koeficijenta toplinske ekspanzije (CTE) zahtijeva mjerenje karakteristika pomaka i temperature.

To se izvodi pomoću danog uzorka materijala izlaganjem toplini. Naknadne fizičke promjene koje nastaju uslijed primijenjenog toplinskog ciklusa procjenjuju se uzimajući u obzir promjenu dimenzija i temperature kako bi se saznale vrijednosti CTE za predmetni materijal.

Ispod su metode koje se koriste za mjerenje koeficijenta toplinskog širenja (CTE) za metal:

1. Interferometrija
2. dilatometrija,
3. Termomehanička analiza.

Koeficijent toplinskog širenja čelika

Različiti materijali zbog svog mikrostrukturnog rasporeda pokazuju različito toplinsko širenje kada su izloženi toplini.

Većina inženjerskih materijala koji se odnose na zavarivanje su ugljični čelik, kromni čelik (feritni nehrđajući čelik) i austenitni nehrđajući čelik.

Jednostavni feritni nehrđajući čelik ima koeficijent usporediv s ugljičnim čelikom, ali za austenitni nehrđajući čelik materijal je gotovo 12 puta veći. Svojstvo je vrlo korisno pri izvođenju sloja otpornosti na koroziju austenitnog osnovnog kemijskog sastava na podlozi od ugljičnog čelika.

Ovdje će pretežno austenitna osnovna obloga imati mnogo veću toplinsku ekspanziju u usporedbi s osnovnim metalom od ugljičnog čelika.

Zbog toga se takve obloge ne podvrgavaju toplinskoj obradi nakon zavarivanja (PWHT). Ako se provede PWHT, to će rezultirati velikom razlikom koeficijenta toplinskog širenja između metalurgije ugljičnog čelika i austenitnog nehrđajućeg čelika i imat će vrlo visoka rezultirajuća zaostala naprezanja.

Ovo kombinirano visoko toplinsko širenje i niža toplinska vodljivost za ove nehrđajuće čelike zahtijevaju maksimalnu pažnju kako bi se ublažila distorzija pri zavarivanju i visoka zaostala naprezanja tijekom zavarivanja.

Npr., tijekom zavarivanja Cr-Ni legura (SS304L, SS316L) preporuča se korištenje niže topline zavarivanja, zavarenih zrnaca i veće brzine kretanja.

Koeficijent toplinskog širenja kod zavarivanja

Zavarivanje je proces koji stvara toplinsku energiju u materijalima. Ta je toplinska energija izravno odgovorna za promjenu dimenzija materijala zbog rezultirajućeg koeficijenta toplinskog širenja.

Npr., u slučaju slične metalurgije, rezultirajuće širenje je u ravnoteži, dok u slučaju zavarivanja različitih materijala, CTE igra važnu ulogu.

Veće varijacije vrijednosti koeficijenta toplinske ekspanzije obližnjih materijala tijekom hlađenja će stvoriti vlačna i tlačna naprezanja.

Materijal koji je suočen s ovim vlačnim naprezanjem može dobiti vruće pukotine tijekom zavarivanja ili može puknuti hladno tijekom rada ako se ta zaostala naprezanja ne ublaže. primjer takvog slučaja je u rafinerijama gdje se zajedno koriste zavari ugljičnog čelika i legure bakra.

Najčešći problem kod zavarivanja različitih metala (DMW) je zbog razlika u fizikalnim svojstvima (uglavnom koeficijent toplinskog rastezanja i toplinske vodljivosti) osnovnih materijala kao i na određenim razinama metalurške nekompatibilnosti.

Toplinski ciklus zavarivanja proizvodi različito označenu zonu pod utjecajem topline (HAZ), povezanu s mikrostrukturnim promjenama u mikrostrukturi materijala, a te promjene mogu drastično promijeniti prihvaćanje zavarenog spoja kao što je zadovoljavanje tvrdoće za NACE u ugljičnom i niskolegiranom čeliku ili ispunjavanje faznih zahtjeva za dupleksno zavarivanje nehrđajućeg čelika.

Coefficient of thermal expansion of metal

Koeficijent toplinskog rastezanja materijala koji se najčešće koriste u zavarivanju dat je u donjoj tablici.

Za koeficijent svih materijala. Koeficijent toplinske ekspanzije za ugljični čelik je 6,5-10-6/°F, a austenitni nehrđajući čelik je 6,4 do 14-10-6/°F.

Materijal	CTE (10-6/K )	CTE (10-6/°F)
Čisti volfram (W)	4.5–4.6	2.5–2.6
Legure željezo-kobalt-nikal	0,6–8,7	0,3–4,8
Čisti krom (Cr)	4.9–8.2	2.7–4.6
Čisti titan (Ti)	8.4–8.6	4.7–4.8
Legure molibdena	4.0–14	2.2–7.8
Feritni nehrđajući čelik	9.3–12	5.2–6.5
Lijevani feritni nehrđajući čelik	11	5.9
Martenzitni nehrđajući čelik	9.5–12	5.3–6.6
Željezo ugljične legure	10–12 (prikaz, stručni).	5.6-6.5
Kovano željezo	11	6.4
Konstrukcijski čelik	12	6.5
Čelik od legure nikla i kroma molibdena	10–13 (prikaz, stručni).	5.7–7.3
Ugljični čelik s visokim sadržajem mangana	11–13	6.2–7.0
Kovan lijev	10–14 (prikaz, stručni).	5.6–7.6
Duktilni srednje silicijski lijev	11–14	6,0–7,5
Sivi lijev	11–15 (prikaz, stručni).	6,0-8,5
Austenitni nehrđajući čelik	9.8–25	5.4–14

Širenje metala pri zagrijavanju

Zagrijavanje metala može uzrokovati njihovo širenje. Ovo širenje može uzrokovati probleme, poput lomljenja metala ili kidanja nečega na što je pričvršćen.

Zagrijavanje uzrokuje jače vibriranje atoma u metalu, a te vibracije uzrokuju širenje metala. Količina ekspanzije ovisi o metalu i o tome koliko je vruć. Neki se metali, poput aluminija, jako šire kada se zagrijavaju, dok se drugi, poput čelika, šire vrlo malo.

Praktično, kada se metal zagrijava, atomi unutar njega postaju aktivniji. Više se kreću i zauzimaju više prostora. To je zato što povećanje kinetičke energije atoma uzrokuje njihovo širenje. Metal će se zbog toga proširiti.

Širi li se metal na hladnoći?

Metal se zapravo ne širi kada temperatura padne. Zapravo, metal se skuplja kada temperatura padne.

To je zbog molekularne strukture metala i načina na koji su atomi pakirani zajedno. Kada se temperatura smanji, atomi se skupljaju i metal postaje manji.

Metal se ne širi kada je u hladnijem okruženju. Zapravo, skuplja se. Zbog toga su mostovi i druge metalne konstrukcije u stanju izdržati hladno vrijeme; ako bi se proširili, pritisak na metal bi bio prevelik i na kraju bi se slomio.

Postoji nekoliko metala koji se lagano šire po hladnom vremenu, ali to je širenje zanemarivo i ne uzrokuje probleme.

Koeficijent toplinskog širenja čelika

Čelik je materijal koji ima relativno visok koeficijent toplinskog rastezanja. To znači da će se čelik širiti kada se zagrijava i skupljati kada se hladi.

Vrijednost koeficijenta toplinskog rastezanja za čelik može varirati ovisno o vrsti čelika i korištenom proizvodnom procesu. Općenito, vrijednost za čelik je oko 5,6–6,5 x 10-6 po stupnju Fahrenheita.

Which metal expands the most when heated?

Odgovor na ovo pitanje nije tako jednostavan kao što bi se moglo pomisliti. Metali se šire različitim brzinama kada se zagrijavaju, a količina širenja može varirati ovisno o promjeni temperature i sastavu metala.

Čisti metali, poput zlata i srebra, obično se najviše šire kada se zagrijavaju. Legure ili metali koji se sastoje od dva ili više elemenata često se šire manje od čistih metala. Na primjer, čelik se mnogo manje širi od zlata kada se zagrijava.

Postoji nekoliko čimbenika koji mogu utjecati na brzinu širenja metala. Sama promjena temperature jedan je čimbenik – metal koji je podvrgnut velikoj promjeni temperature proširit će se više od metala koji doživi malu promjenu.

Važan je i sastav metala; legure se obično šire manje od čistih metala jer imaju manji volumni koeficijent toplinske ekspanzije.

Open this in UX Builder to add and edit content