El acero normalmente se dilata al calentarse y se contrae al enfriarse. Para una pieza que puede moverse libremente y tiene una temperatura bastante uniforme, el cálculo útil es ΔL = ᾱL₀ΔT. El coeficiente debe corresponder al acero y al intervalo térmico. La aproximación habitual para acero estructural no se puede trasladar sin más a cualquier inoxidable, componente de horno o análisis de incendio.
El resultado representa un cambio de longitud libre. Las restricciones, los gradientes térmicos y las uniones determinan cómo se convierte en desplazamiento, distorsión o esfuerzo dentro del conjunto.
Qué expresa el coeficiente de dilatación
La dilatación lineal describe un cambio de longitud; la resistencia y la conductividad térmica son propiedades distintas. El coeficiente medio ᾱ de un intervalo se obtiene dividiendo el cambio de longitud entre la longitud de referencia especificada y el cambio de temperatura. El coeficiente instantáneo expresa la variación local a una temperatura determinada. Antes de usar una tabla o curva, compruebe el intervalo y la convención de longitud de referencia.
Con una aproximación de coeficiente constante, 12 × 10⁻⁶/K equivale a unos 12 micrómetros por metro y por kelvin. Para diferencias de temperatura, /K, /°C y mm/(mm·°C) tienen la misma base numérica. Un promedio de 20–100°C no establece el comportamiento a cualquier temperatura de servicio.
Elegir un valor con un campo de aplicación claro
| Material o criterio | Coeficiente | Base térmica | Aplicación y límite |
|---|---|---|---|
| Aproximación habitual para acero estructural | 12 × 10⁻⁶/K | Valor convencional de cálculo estructural | SCI GN 3.01 recoge este valor. Verifique las reglas del proyecto; no lo extrapole al cálculo frente al fuego. |
| Outokumpu Core 304/4301, austenítico | 16,0 × 10⁻⁶/K | Media de 20–100°C | Dato físico del producto identificado; no es una garantía universal de aceptación. |
| Outokumpu Core 441/4509, ferrítico | 10,0 × 10⁻⁶/K | Media de 20–100°C | Producto identificado; mantenga el mismo intervalo al compararlo con 304/4301. |
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Estos ejemplos muestran por qué indicar únicamente «acero inoxidable» no basta para elegir el coeficiente. No representan todos los grados austeníticos o ferríticos. Confirme composición, estado del producto e intervalo cubierto con el proveedor o la base de diseño. El artículo sobre acero inoxidable 304 amplía el contexto del material.
Calcular el movimiento libre con unidades coherentes
Considere una pieza sin restricción de Core 304/4301, de L₀ = 3 000 mm a 20°C, calentada uniformemente hasta 100°C. Con el coeficiente medio de la tabla:
- ΔT = 100 − 20 = 80°C, equivalente a 80 K.
- ΔL = 16,0 × 10⁻⁶ × 3 000 × 80 = 3,84 mm.
- Longitud final = 3 003,84 mm.
Para Core 441/4509 con las mismas condiciones iniciales, ΔL = 10,0 × 10⁻⁶ × 3 000 × 80 = 2,40 mm. La diferencia de crecimiento libre es 1,44 mm. Si se unen ambos materiales, se restringe su movimiento; esa diferencia por sí sola no permite calcular la fuerza en la interfaz.
La unidad de longitud del resultado coincide con la de L₀: metros producen metros y pulgadas producen pulgadas. Para trabajar en Fahrenheit, convierta también el coeficiente: ΔT°F = 1,8ΔT°C y ᾱ/°F = ᾱ/°C ÷ 1,8. Así, 16,0 × 10⁻⁶/K equivale aproximadamente a 8,89 × 10⁻⁶/°F. El intervalo 20–100°C corresponde a 68–212°F, con una diferencia de 144°F. No se suma 32 al convertir una diferencia de temperatura.
Cambiar de intervalo sin perder la referencia
Para intervalos amplios, busque un coeficiente medio específico o una curva validada de alargamiento térmico. Una tabla de «valores medios desde 20°C» conserva ese origen aunque el extremo final sea 400°C. Multiplicar la media de 20–400°C por 400 − 100 no determina correctamente el movimiento entre 100 y 400°C.
Defina r(T) = [L(T) − L₂₀]/L₂₀ como alargamiento relativo respecto a 20°C. Entre T₁ y T₂, el cambio es ΔL = L₂₀[r(T₂) − r(T₁)]. Si solo conoce la longitud L₁ a T₁, obtenga primero L₂₀ = L₁/[1 + r(T₁)]. Con medias referidas a 20°C, r(T) = ᾱ₂₀→T(T − 20), siempre que las unidades y definiciones coincidan.
La resta usa una misma longitud de referencia. No combine curvas basadas en estados distintos ni sustituya una media de intervalo por un coeficiente instantáneo. A temperaturas elevadas, los cambios de propiedades y las transformaciones de fase exigen el modelo del material aplicable; una constante a temperatura ambiente resulta insuficiente.
Qué cambia cuando se impide la dilatación
En una barra recta ideal, con restricción axial completa, temperatura uniforme, E y α constantes y comportamiento elástico lineal, la magnitud de la tensión térmica es |σ| = Eα|ΔT|. El calentamiento genera compresión y el enfriamiento genera tracción respecto al estado inicial sin tensiones. El modelo excluye movimiento de apoyos, deslizamiento, tensiones iniciales, plastificación, pandeo y fluencia lenta.
Como ejemplo, con E = 200 000 MPa, α = 12 × 10⁻⁶/K y ΔT = 50 K, la magnitud ideal es 120 MPa. Ese resultado no es una tensión admisible ni verifica una fuerza en una unión. La rigidez real de la restricción y las propiedades dependientes de la temperatura modifican la respuesta. La pérdida de estabilidad o la plastificación pueden invalidar el modelo antes de alcanzar la tensión prevista.
El módulo de Young aporta la rigidez elástica. La capacidad estructural y la resistencia al fuego requieren comprobar por separado resistencia, estabilidad, uniones, cargas y disposiciones de diseño.
Llevar el movimiento al detalle de una junta
El crecimiento libre de una pieza no fija la abertura necesaria de la junta. Identifique el punto fijo, las longitudes que aportan movimiento a cada junta, la temperatura de montaje, los extremos de servicio, las tolerancias, el recorrido de apoyos o fijaciones y el rango de trabajo del producto de junta. Una fijación central puede repartir el movimiento hacia ambos extremos; el esquema real de restricciones determina el reparto.
La temperatura del acero puede diferir de la del aire por el sol o por fuentes de calor de proceso. Las diferencias a través del espesor o entre partes del conjunto pueden provocar curvatura y torsión. Los materiales contiguos también pueden dilatar de forma distinta. Compruebe el recorrido completo entre frío y calor junto con el ajuste de montaje; un ejemplo de calentamiento aislado no resuelve el detalle completo.
Medir y documentar el coeficiente
ASTM E228-22 cubre la medición de dilatación lineal mediante dilatómetros de varilla de empuje.
Un registro útil identifica grado, estado del producto, orientación y dimensiones de la probeta, longitud y temperatura de referencia, ciclo de calentamiento/enfriamiento, intervalo, calibración, repetibilidad e incertidumbre. Indique si el resultado es medio o instantáneo. Para aceptación, aplique el método completo correspondiente; un valor de manual no equivale a medir el lote.
Datos que conviene dejar registrados
- Material, estado del producto y fuente del coeficiente.
- Longitud de referencia e intervalo real de temperatura del acero.
- Tipo de coeficiente, unidades y convención de referencia.
- Movimiento libre calculado, incluida la contracción cuando proceda.
- Restricciones, gradientes, materiales contiguos y recorrido disponible.
- Comprobación del conjunto según sus reglas de diseño e hipótesis utilizadas.
Para seleccionar el material con otros criterios, consulte la guía de grados de acero inoxidable . La corrosión, la fabricación y las condiciones de servicio también forman parte de la decisión.