O aço normalmente se dilata ao aquecer e se contrai ao esfriar. Para uma peça com liberdade de movimento e temperatura razoavelmente uniforme, o cálculo básico é ΔL = ᾱL₀ΔT. O coeficiente precisa corresponder ao aço e ao intervalo de temperatura. A aproximação usual para aço estrutural não se aplica automaticamente a todo inoxidável, componente de forno ou análise de incêndio.
O resultado representa a variação livre de comprimento. Restrições, gradientes térmicos e detalhes das ligações determinam como essa variação se transforma em deslocamento, distorção ou esforço no conjunto.
O que o coeficiente de dilatação informa
A dilatação linear descreve uma mudança de comprimento; resistência mecânica e condutividade térmica são outras propriedades. O coeficiente médio ᾱ de um intervalo é a variação de comprimento dividida pelo comprimento de referência especificado e pela variação de temperatura. O coeficiente instantâneo descreve a taxa local em uma determinada temperatura. Antes de usar uma tabela ou curva, confira o intervalo e a convenção de comprimento de referência.
Na aproximação de coeficiente constante, 12 × 10⁻⁶/K representa cerca de 12 micrômetros por metro para cada kelvin de variação. Para diferenças de temperatura, /K, /°C e mm/(mm·°C) têm a mesma base numérica. Uma média entre 20 e 100°C não define o comportamento em qualquer temperatura de serviço.
Escolha um valor com aplicação definida
| Material ou base | Coeficiente | Base de temperatura | Aplicação e limite |
|---|---|---|---|
| Aproximação usual para aço estrutural | 12 × 10⁻⁶/K | Valor convencional de cálculo estrutural | O SCI GN 3.01 apresenta esse valor de projeto. Confira as regras aplicáveis; não extrapole para dimensionamento em incêndio. |
| Outokumpu Core 304/4301, austenítico | 16,0 × 10⁻⁶/K | Média entre 20 e 100°C | Propriedade física do produto identificado; não é uma garantia universal de aceitação. |
| Outokumpu Core 441/4509, ferrítico | 10,0 × 10⁻⁶/K | Média entre 20 e 100°C | Produto identificado; mantenha o mesmo intervalo na comparação com 304/4301. |
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Os dois exemplos de inoxidável mostram por que um único coeficiente para toda a família é insuficiente. Os valores não abrangem todos os graus austeníticos ou ferríticos. Confirme composição, condição do produto e temperaturas cobertas nos dados do fornecedor ou na base de projeto. Veja também o contexto do aço inoxidável 304 .
Calcule o movimento livre com unidades consistentes
Considere uma peça de Core 304/4301 sem restrição, com L₀ = 3.000 mm a 20°C, aquecida uniformemente até 100°C. Usando o coeficiente médio da tabela:
- ΔT = 100 − 20 = 80°C, equivalente a 80 K.
- ΔL = 16,0 × 10⁻⁶ × 3.000 × 80 = 3,84 mm.
- Comprimento final = 3.003,84 mm.
Para Core 441/4509 com o mesmo comprimento inicial e as mesmas temperaturas, ΔL = 10,0 × 10⁻⁶ × 3.000 × 80 = 2,40 mm. A diferença de crescimento livre é 1,44 mm. Uma ligação entre esses materiais restringe seus movimentos; essa diferença, isoladamente, não determina a força na interface.
A unidade do resultado acompanha L₀: uma entrada em metros produz metros, e uma entrada em polegadas produz polegadas. Ao usar Fahrenheit, converta também o coeficiente: ΔT°F = 1,8ΔT°C e ᾱ/°F = ᾱ/°C ÷ 1,8. Portanto, 16,0 × 10⁻⁶/K equivale a aproximadamente 8,89 × 10⁻⁶/°F. O intervalo de 20–100°C corresponde a 68–212°F, uma diferença de 144°F. Não se soma 32 a uma diferença de temperatura.
Use uma referência comum ao mudar de intervalo
Para faixas mais amplas, procure uma média específica do intervalo ou uma curva validada de alongamento térmico. Uma tabela de “médias a partir de 20°C” mantém essa referência mesmo quando o ponto final é 400°C. Multiplicar a média de 20–400°C por 400 − 100 não determina corretamente o movimento entre 100 e 400°C.
Defina r(T) = [L(T) − L₂₀]/L₂₀ como o alongamento relativo a partir de 20°C. Entre T₁ e T₂, a variação é ΔL = L₂₀[r(T₂) − r(T₁)]. Se apenas o comprimento L₁ em T₁ for conhecido, obtenha primeiro L₂₀ = L₁/[1 + r(T₁)]. Para médias referidas a 20°C, r(T) = ᾱ₂₀→T(T − 20), desde que unidades e definições sejam compatíveis.
A subtração utiliza o mesmo comprimento de referência. Não junte curvas com estados de referência diferentes nem substitua a média do intervalo por um coeficiente instantâneo. Em altas temperaturas, mudanças de propriedades e transformações de fase exigem o modelo de material adequado; uma constante de temperatura ambiente é insuficiente.
Como a restrição gera tensão térmica
Para uma barra reta ideal, totalmente impedida de se deslocar axialmente, com variação uniforme de temperatura, E e α constantes e comportamento elástico linear, o módulo da tensão térmica é |σ| = Eα|ΔT|. O aquecimento produz compressão e o resfriamento produz tração em relação ao estado inicial sem tensões. O modelo exclui movimento dos apoios, deslizamento, tensões iniciais, escoamento, flambagem e fluência.
Como ilustração, E = 200.000 MPa, α = 12 × 10⁻⁶/K e ΔT = 50 K resultam em 120 MPa. Esse valor não é uma tensão admissível nem verifica a força de uma ligação. A rigidez real da restrição e a dependência das propriedades com a temperatura alteram a resposta. Escoamento ou instabilidade podem invalidar a hipótese elástica antes de se atingir a tensão prevista.
O módulo de Young fornece a rigidez elástica do material. A capacidade estrutural e a resistência ao fogo exigem verificações próprias de resistência, estabilidade, ligações, carregamentos e regras de projeto.
Transforme o movimento em requisito de junta
O crescimento livre de uma peça não especifica a abertura necessária da junta. Identifique o ponto fixo, os comprimentos que contribuem para cada junta, a temperatura de montagem, os extremos de serviço, as tolerâncias, o curso de apoios ou fixadores e a faixa operacional do produto de junta. Uma peça fixada no centro pode distribuir o movimento para as duas extremidades; a configuração real das restrições define essa divisão.
Sob sol ou perto de fontes de calor de processo, a temperatura do aço pode diferir da temperatura do ar. Variações ao longo da espessura ou entre partes do conjunto podem causar curvatura e torção. Materiais vizinhos também podem ter dilatações diferentes. Verifique o movimento completo entre frio e calor junto com a posição de montagem; um exemplo apenas de aquecimento não resolve o detalhe inteiro.
Meça e registre a propriedade
A ASTM E228-22 trata da medição da dilatação linear com dilatômetros do tipo push-rod (com haste de contato).
Um registro útil identifica grau, condição do produto, orientação e dimensões do corpo de prova, temperatura e comprimento de referência, histórico de aquecimento e resfriamento, intervalo, calibração, repetibilidade e incerteza. Informe se o resultado é médio ou instantâneo. Para ensaios de aceitação, siga o método completo aplicável; um valor genérico de manual não substitui a medição do lote.
Dados para conferir antes de usar o resultado
- Material, condição do produto e fonte do coeficiente.
- Referência de comprimento e intervalo real de temperatura do aço.
- Tipo de coeficiente, unidades e convenção de referência.
- Movimento livre calculado, incluindo contração quando pertinente.
- Restrições, gradientes, materiais vizinhos e curso disponível.
- Verificação do conjunto pelas regras de projeto e registro das hipóteses.
Para escolher o material considerando outros fatores, consulte o guia de graus de aço inoxidável . Corrosão, fabricação e condições de serviço continuam fazendo parte da decisão.