Çelik genellikle ısındığında genleşir, soğuduğunda büzülür. Serbestçe hareket edebilen ve sıcaklığı yeterince homojen olan bir eleman için temel hesap ΔL = ᾱL₀ΔT bağıntısıdır. Katsayı, kullanılan çeliğe ve sıcaklık aralığına uygun olmalıdır. Yapısal çelik için kullanılan yaklaşık değer, her paslanmaz çeliğe, fırın parçasına veya yangın hesabına doğrudan aktarılamaz.
Sonuç, serbest boy değişimini verir. Kısıtlamalar, sıcaklık gradyanları ve bağlantı ayrıntıları bu değişimin sistemde yer değiştirme, çarpılma veya iç kuvvet olarak nasıl ortaya çıkacağını belirler.
Genleşme katsayısı neyi ifade eder?
Doğrusal ısıl genleşme, boyun sıcaklıkla değişimini açıklar; dayanım ve ısıl iletkenlik ayrı özelliklerdir. Bir aralığın ortalama katsayısı ᾱ, boy değişiminin belirtilen referans boyuna ve sıcaklık değişimine bölünmesiyle tanımlanır. Anlık katsayı ise belirli bir sıcaklıktaki yerel değişim hızını gösterir. Bir tabloyu veya eğriyi kullanmadan önce sıcaklık aralığını ve referans boy tanımını kontrol edin.
Sabit katsayı yaklaşımında 12 × 10⁻⁶/K, bir metre boyun her kelvin değişimde yaklaşık 12 mikrometre değişmesi anlamına gelir. Sıcaklık farkları için /K, /°C ve mm/(mm·°C) aynı sayısal temele sahiptir. 20–100°C ortalaması, tüm çalışma sıcaklıkları için geçerli bir değer değildir.
Katsayıyı kullanım kapsamıyla birlikte seçin
| Malzeme veya hesap esası | Katsayı | Sıcaklık temeli | Kullanım ve sınır |
|---|---|---|---|
| Yapısal çelik için yaygın yaklaşım | 12 × 10⁻⁶/K | Geleneksel yapısal tasarım girdisi | SCI GN 3.01 bu tasarım değerini verir. Proje kurallarını doğrulayın; yangın hesabına genellemeyin. |
| Outokumpu Core 304/4301, östenitik | 16,0 × 10⁻⁶/K | 20–100°C ortalaması | Belirtilen üretici ürününün fiziksel özellik verisidir; genel bir kabul garantisi değildir. |
| Outokumpu Core 441/4509, ferritik | 10,0 × 10⁻⁶/K | 20–100°C ortalaması | Belirli bir ürüne aittir; 304/4301 ile aynı sıcaklık aralığında karşılaştırılmalıdır. |
Tüm sütunlar için tabloyu kaydırın →
Bu iki örnek, bütün paslanmaz çelikler için tek katsayı kullanılmasının neden yetersiz olduğunu gösterir. Değerler her östenitik veya ferritik kaliteyi temsil etmez. Bileşimi, ürün durumunu ve kapsanan sıcaklıkları gerçek tedarikçi verilerinden veya tasarım esasından doğrulayın. Malzemeye ilişkin daha geniş bilgi için 304 paslanmaz çelik sayfasına bakın.
Serbest uzamayı tutarlı birimlerle hesaplayın
20°C sıcaklıkta L₀ = 3.000 mm boyunda, kısıtlanmamış Core 304/4301 elemanının homojen olarak 100°C sıcaklığa ulaştığını varsayalım. Tablodaki ortalama katsayıyla:
- ΔT = 100 − 20 = 80°C; sıcaklık farkı olarak 80 K ile aynıdır.
- ΔL = 16,0 × 10⁻⁶ × 3.000 × 80 = 3,84 mm.
- Son boy = 3.003,84 mm.
Aynı başlangıç boyu ve sıcaklıklar için Core 441/4509 kullanılırsa ΔL = 10,0 × 10⁻⁶ × 3.000 × 80 = 2,40 mm olur. Serbest uzamalar arasındaki fark 1,44 mm’dir. İki malzeme birbirine bağlandığında hareketleri kısıtlanır; yalnızca bu farktan ara yüz kuvveti hesaplanamaz.
Sonucun boy birimi L₀ ile aynıdır. Metre kullanılırsa sonuç metre, inç kullanılırsa inç çıkar. Fahrenheit hesabında katsayı da dönüştürülmelidir: ΔT°F = 1,8ΔT°C ve ᾱ/°F = ᾱ/°C ÷ 1,8. Böylece 16,0 × 10⁻⁶/K yaklaşık 8,89 × 10⁻⁶/°F eder. 20–100°C aralığı 68–212°F aralığına, yani 144°F sıcaklık farkına karşılık gelir. Sıcaklık farkına 32 eklenmez.
Sıcaklık aralığı değiştiğinde referansı koruyun
Geniş aralıklarda, ilgili aralığa ait ortalama veri veya doğrulanmış bir ısıl uzama eğrisi kullanın. “20°C’den itibaren ortalama” başlıklı bir tabloda son sıcaklık 400°C olsa da başlangıç referansı 20°C olarak kalır. 20–400°C ortalamasını 400 − 100 ile çarpmak, 100–400°C arasındaki hareketi doğru biçimde belirlemez.
20°C’ye göre bağıl uzamayı r(T) = [L(T) − L₂₀]/L₂₀ olarak tanımlayalım. T₁ ve T₂ arasındaki boy değişimi ΔL = L₂₀[r(T₂) − r(T₁)] olur. Yalnızca T₁ sıcaklığındaki L₁ boyu biliniyorsa önce L₂₀ = L₁/[1 + r(T₁)] hesaplanır. Birimler ve tanımlar tutarlıysa, 20°C referanslı ortalamalar için r(T) = ᾱ₂₀→T(T − 20) kullanılabilir.
Bu çıkarma işleminde iki değer aynı boy referansına dayanır. Farklı referans durumları olan eğrileri birleştirmeyin veya aralık ortalaması yerine anlık katsayı kullanmayın. Yüksek sıcaklıklarda özellik değişimleri ve faz dönüşümleri uygun malzeme modelini gerektirir; oda sıcaklığındaki sabit değer yetersiz kalır.
Kısıtlanmış genleşmeden doğan gerilme
İdeal, düz, eksenel hareketi tamamen engellenmiş bir çubukta; homojen sıcaklık değişimi, sabit E ve α ile doğrusal elastik davranış varsayılırsa ısıl gerilmenin büyüklüğü |σ| = Eα|ΔT| olur. Gerilmesiz başlangıç durumuna göre ısınma basınç, soğuma çekme oluşturur. Model; mesnet hareketini, kaymayı, başlangıç gerilmelerini, akmayı, burkulmayı ve sünmeyi kapsamaz.
Örnek olarak E = 200.000 MPa, α = 12 × 10⁻⁶/K ve ΔT = 50 K alınırsa ideal gerilme büyüklüğü 120 MPa çıkar. Bu sonuç izin verilen gerilme değildir ve bağlantı kuvvetini doğrulamaz. Gerçek kısıtlama rijitliği ile sıcaklığa bağlı özellikler davranışı değiştirir. Akma veya kararlılık kaybı, hesaplanan gerilmeye ulaşılmadan elastik modeli geçersiz kılabilir.
Young modülü , elastik rijitlik girdisini sağlar. Yapısal taşıma kapasitesi ve yangın dayanımı için dayanım, kararlılık, bağlantılar, yükler ve geçerli tasarım hükümleri ayrıca kontrol edilmelidir.
Hareketi derz ve montaj gereksinimine dönüştürün
Hesaplanan serbest uzama, gerekli derz açıklığını tek başına belirlemez. Sabit noktayı, her derze hareket aktaran boyları, montaj sıcaklığını, çalışma sıcaklığı uçlarını, toleransları, mesnet veya bağlantı elemanlarının hareket mesafesini ve derz ürününün çalışma aralığını belirleyin. Ortadan sabitlenmiş bir elemanın hareketi iki uca dağılabilir; bu dağılımı gerçek kısıtlama düzeni belirler.
Güneş altında veya proses ısısına yakın yerlerde çeliğin sıcaklığı hava sıcaklığından farklı olabilir. Kalınlık boyunca veya montajın farklı bölgelerinde sıcaklık farkları eğilmeye ve burulmaya yol açabilir. Komşu malzemelerin genleşmeleri de farklı olabilir. Sıcaktan soğuğa tüm hareket aralığını montaj ayarıyla birlikte değerlendirin; yalnızca ısınmayı ele alan bir örnek, eksiksiz bağlantı detayı sağlamaz.
Ölçümü ve sonucu belgelendirin
ASTM E228-22, itme çubuklu dilatometrelerle doğrusal ısıl genleşmenin ölçülmesini kapsar.
Kullanışlı bir deney kaydı; kaliteyi, ürün durumunu, numune yönünü ve boyutlarını, referans sıcaklığı ve boyunu, ısıtma-soğutma geçmişini, ölçüm aralığını, kalibrasyonu, tekrarlanabilirliği ve belirsizliği belirtir. Sonucun ortalama mı anlık mı olduğunu açıkça yazın. Kabul deneylerinde geçerli yöntemin tam metnini izleyin; genel bir el kitabı değeri parti ölçümünün yerini tutmaz.
Sonucu kullanmadan önce kaydedilecek girdiler
- Malzeme, ürün durumu ve katsayının kaynağı.
- Boy referansı ve çeliğin gerçek sıcaklık aralığı.
- Katsayı türü, birimler ve referans tanımı.
- Gerekliyse büzülme dâhil hesaplanan serbest hareket.
- Kısıtlamalar, gradyanlar, komşu malzemeler ve kullanılabilir hareket mesafesi.
- Sistemin tasarım kurallarına göre kontrolü ve kullanılan varsayımlar.
Genleşme dışındaki seçim ölçütleri için paslanmaz çelik kalitesi seçme rehberini kullanın. Korozyon, imalat ve hizmet gereksinimleri de seçimde değerlendirilmelidir.