钢材通常受热伸长、冷却收缩。对于温度较均匀、能够自由移动的构件，可用 ΔL = ᾱL₀ΔT 计算长度变化。选用的系数必须对应实际钢种和温度区间，结构钢的常用近似值不能直接套用于所有不锈钢、高温设备或火灾分析。
这个结果表示自由伸缩量。构件受到约束、各部位温度不一致或连接方式发生变化时，热变形可能表现为位移、翘曲或内力，需要继续分析装配体系。
先看清热膨胀系数的定义
线膨胀描述长度随温度的变化，与强度、导热率是不同的材料性能。某一区间的平均线膨胀系数 ᾱ，等于该区间的长度变化除以规定的参考长度和温差。瞬时系数描述指定温度处的局部变化率。查表或使用曲线时，应同时核对温度区间与参考长度的定义。
采用常系数近似时，12 × 10⁻⁶/K 表示每米长度、每升高 1 K 约伸长 12 微米。对于温差，/K、/°C 和 mm/(mm·°C) 的数值关系相同。标明 20–100°C 的平均值，只覆盖这一温区，不能据此认定其他使用温度下也取相同数值。
按材料和适用范围选取系数
| 材料或取值依据 | 系数 | 温度依据 | 用途与限制 |
|---|---|---|---|
| 常用结构钢近似值 | 12 × 10⁻⁶/K | 常规结构设计取值 | SCI GN 3.01 列出的设计参数；实际工程应核对适用规则，不能延用为火灾设计常数。 |
| Outokumpu Core 304/4301，奥氏体 | 16.0 × 10⁻⁶/K | 20–100°C 平均值 | 指定厂家产品的物理性能数据，不能当作所有同类钢材的验收保证。 |
| Outokumpu Core 441/4509，铁素体 | 10.0 × 10⁻⁶/K | 20–100°C 平均值 | 指定厂家产品；与 304/4301 比较时保留相同温区。 |
在表格内横向滚动可查看所有列 →
表中两种不锈钢的差异说明，计算时仅注明“不锈钢”还不够。这些数据不能代表所有奥氏体或铁素体牌号。应从实际供货方资料或设计依据确认成分、产品状态和温区。牌号背景可参阅 304 不锈钢 。
计算自由伸长量并统一单位
一根 Core 304/4301 构件在 20°C 时长 L₀ = 3,000 mm，均匀升温至 100°C，且可以自由伸长。采用表中的平均系数：
- 温差 ΔT = 100 − 20 = 80°C，也就是 80 K。
- 伸长量 ΔL = 16.0 × 10⁻⁶ × 3,000 × 80 = 3.84 mm。
- 最终长度为 3,003.84 mm。
若换成起始长度和温度条件相同的 Core 441/4509，ΔL = 10.0 × 10⁻⁶ × 3,000 × 80 = 2.40 mm。两者自由伸长量相差 1.44 mm。将两种材料连接起来后，其变形会受到相互约束，不能只凭这 1.44 mm 求得界面作用力。
计算结果的长度单位与 L₀ 一致：输入米，输出米；输入英寸，输出英寸。使用华氏温度时，系数也要换算：ΔT°F = 1.8ΔT°C，ᾱ/°F = ᾱ/°C ÷ 1.8。因此，16.0 × 10⁻⁶/K 约等于 8.89 × 10⁻⁶/°F。20–100°C 对应 68–212°F，温差是 144°F。温差换算不加 32。
温区变化时，统一参考温度再计算
温度范围较宽时，应取得对应区间的平均系数，或使用经过验证的热伸长曲线。表格若注明“以 20°C 为起点的平均值”，即使末温为 400°C，起始基准仍是 20°C。将 20–400°C 的平均系数直接乘以 400 − 100，不能正确确定 100–400°C 的伸长量。
定义相对伸长 r(T) = [L(T) − L₂₀]/L₂₀，其中 L₂₀ 为 20°C 时的长度。T₁ 到 T₂ 的长度变化为 ΔL = L₂₀[r(T₂) − r(T₁)]。若只知道 T₁ 时的长度 L₁，应先求 L₂₀ = L₁/[1 + r(T₁)]。对于以 20°C 为基准的平均系数，在单位和定义一致时，r(T) = ᾱ₂₀→T(T − 20)。
这样相减的两项采用同一长度基准。不要拼接参考状态不同的曲线，也不要把瞬时系数直接当作整个温区的平均系数。高温下还可能出现性能变化与相变，需要采用相应材料模型，常温常数不足以描述全过程。
约束如何把热变形变成应力
对于理想的直杆，若两端完全约束、温度均匀变化、E 和 α 均为常数，并且始终保持单轴线弹性状态，则热应力的绝对值为 |σ| = Eα|ΔT|。相对于无应力的初始状态，升温产生压应力，降温产生拉应力。这个模型未计入支座位移、滑移、初始应力、屈服、屈曲和蠕变。
例如假定 E = 200,000 MPa、α = 12 × 10⁻⁶/K、ΔT = 50 K，理想计算得到的应力绝对值为 120 MPa。该值不能作为许用应力，也没有证明任何连接能够承受相应作用。真实约束刚度和温度相关性能会改变响应；达到理论应力前，屈服或失稳就可能使线弹性假设失效。
钢的弹性模量 提供弹性刚度方面的背景。构件承载力与耐火性能还要分别检查强度、稳定、连接、荷载和适用设计规定。
从伸缩量进一步确定接缝与装配要求
自由伸长量不能直接作为接缝宽度。应确定固定点位置、向各接缝贡献位移的构件长度、安装温度、服役极限温度、施工公差、支座或紧固件行程，以及接缝产品允许的工作范围。中部固定的构件可能向两端分配位移，具体分配由实际约束布置决定。
日照或工艺热源作用下，钢材温度可能与空气温度不同。厚度方向或装配各部位的温差会引起弯曲、扭转，相邻材料也可能具有不同伸缩量。接缝核查应将完整的冷热位移范围与安装时的设定位置结合起来，单一升温例题不能代替完整构造设计。
测量与报告时保留哪些信息
ASTM E228-22 涉及采用推杆式膨胀仪测量线膨胀。
完整记录应包括牌号、产品状态、试样方向与尺寸、参考温度和长度、加热与冷却历程、测量温区、校准、重复性和不确定度。报告中需明确结果属于平均系数还是瞬时系数。验收试验应按适用方法全文执行；通用手册数据不能替代该批材料的实测结果。
使用计算结果前的输入核对
- 确认材料、产品状态与系数来源。
- 明确长度基准和钢材实际温度区间。
- 核对系数类型、单位与参考定义。
- 计算自由位移，必要时包括冷却收缩。
- 评估约束、温度梯度、相邻材料和可用行程。
- 按体系适用的设计规则核查，并记录假设。
若还要比较其他选材因素，可查阅不锈钢牌号选择指南 。耐腐蚀性、加工工艺和服役要求仍需一起考虑。