ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) คืออะไร?

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) (α) คือการเปลี่ยนแปลงความยาวเป็นเศษส่วนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 1 องศา หน่วยเป็น µm/(m·°C) หรือ 10⁻⁶/°C ตัวอย่างเช่น เหล็ก α ≈ 12 µm/(m·°C) หมายความว่าแท่งเหล็กยาว 1 เมตร จะยืดออก 12 µm ต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 1°C.

ฉันจะคำนวณความเค้นจากความร้อนในชิ้นส่วนที่ถูกจำกัดได้อย่างไร?

เมื่อการขยายตัวถูกจำกัดอย่างสมบูรณ์: σ = E × α × ΔT สำหรับเหล็กกล้าที่ ΔT = 100°C: σ = 200,000 × 12e-6 × 100 = 240 MPa — เกือบถึงความเค้นคราก!

การขยายตัวเชิงปริมาตรคืออะไร?

สำหรับวัสดุไอโซโทรปิก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงปริมาตร ≈ 3 × ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น การเปลี่ยนแปลงปริมาตร: ΔV = V₀ × 3α × ΔT สำคัญสำหรับถัง ท่อ และระบบของเหลวแบบปิด.

ฉันจะเลือกขนาดข้อต่อขยายสำหรับท่ออย่างไร?

ความยาวของลูป L = √(3 × D × Δ / Sₐ × E) โดยที่ D = เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ, Δ = การขยายตัว, Sₐ = ความเค้นที่ยอมรับได้ หลักการโดยทั่วไป: L ≈ 6.2 × √(D × Δ) สำหรับท่อเหล็ก.

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิหรือไม่?

ใช่แล้ว ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามอุณหภูมิ ค่าที่ระบุเป็นค่าเฉลี่ยในช่วงอุณหภูมิหนึ่ง (โดยทั่วไปคือ 20–100°C) สำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิต่ำมากหรืออุณหภูมิสูง ควรใช้ข้อมูลเฉพาะสำหรับช่วงอุณหภูมิที่ใช้งานจริง.

เครื่องมือวิศวกรรมฟรี

เครื่องคำนวณการขยายตัวทางความร้อน

คำนวณค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นและเชิงปริมาตรสำหรับวัสดุมากกว่า 20 ชนิด การขยายตัวของท่อระหว่างจุดยึด การกำหนดขนาดห่วงขยายตัว และความเค้นทางความร้อนเมื่อถูกจำกัด (σ = E·α·ΔT).

เชิงเส้นและปริมาตรวัสดุมากกว่า 20 ชนิดความเครียดจากความร้อนการขยายตัวของท่อ

วัสดุ

ซีทีเอ α (×10⁻⁶ /°C)

ความยาวดั้งเดิม (มิลลิเมตร)

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ΔT (°C)

เล่มต้นฉบับ (cm³ — ตัวเลือกเสริม สำหรับหน่วยปริมาตร)

โมดูลัสความยืดหยุ่น E (GPa — สำหรับการคำนวณความเค้น)

ค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้าอย่างรวดเร็ว

ผลลัพธ์การขยายตัว

การขยายตัวเชิงเส้น ΔL

การขยายตัวในหน่วยมิลลิเมตร

การขยายตัวในหน่วยไมโครเมตร

การขยายตัวของโรงงาน

ความยาวใหม่

ความเครียด ε

ความเครียดจากความร้อน (หากมีการจำกัด)

แรงความร้อน (ต่อพื้นที่ ตร.ซม.)

การขยายตัวเชิงปริมาตร ΔV

ห่วงขยายตัว (ท่อเหล็ก หลักการทั่วไป)

การขยายตัวเชิงเส้น

โดยที่ α คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ในหน่วย 1/°C, L₀ คือความยาวเดิม และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ.

การขยายตัวเชิงปริมาตร

สำหรับวัสดุไอโซโทรปิก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงปริมาตรจะประมาณ 3 เท่าของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นตรง.

ความเค้นจากความร้อน (ชิ้นส่วนที่ถูกจำกัดการเคลื่อนไหว)

เมื่อการขยายตัวถูกป้องกันอย่างสมบูรณ์ (เช่น ท่ออยู่ระหว่างจุดยึดที่แข็งแรงสองจุด) ความเครียดที่เกิดขึ้นอาจสูงมาก ความเครียดนี้จะเป็นแรงอัดเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และเป็นแรงดึงเมื่ออุณหภูมิลดลง.

การกำหนดขนาดวงจรขยาย (หลักการทั่วไป)

โดยที่ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ (มม.) และ Δ คือการขยายตัว (มม.) สูตรนี้จะให้ความยาวลูปที่ต้องการสำหรับท่อเหล็ก สำหรับวัสดุอื่นๆ ให้ปรับโดยใช้ √(E_steel/E_material).

ตัวอย่างการปฏิบัติ

ตัวอย่าง — ท่อเหล็กกล้าคาร์บอน 6 เมตร, ΔT = 80°C

ที่ให้ไว้: L₀ = 6000 มม., α = 12 × 10⁻⁶ /°C, ΔT = 80°C, E = 200 GPa

ΔL = 12e-6 × 6000 × 80 = 5.76 มม.

ความเค้นจากความร้อนหากมีข้อจำกัด: σ = 200,000 × 12e-6 × 80 = 192 เมกะปาสคาล

ห่วงขยาย (DN100/OD 114 มม.): L ≈ 6.2 × √(114 × 5.76) ≈ 159 มม. ≈ 160 มม.

ฐานข้อมูลวัสดุ CTE

วัสดุ	α (×10⁻⁶ /°C)	อี (กม.)	Notes
เหล็กกล้าคาร์บอน	12.0	200	SA-516, P265GH
เหล็กกล้าอัลลอยต่ำ	12.5	200	16Mo3, SA-387
เหล็กกล้า Cr-Mo (2.25Cr)	12.0	205	SA-335 P22
สแตนเลส 304	17.3	193	1.4301, 18Cr-8Ni
สแตนเลส 316	16.0	193	1.4401, 16Cr-10Ni-2Mo
สแตนเลส 321	17.0	193	1.4541, เสถียรด้วย Ti
ดูเพล็กซ์ 2205	13.0	200	1.4462
อะลูมิเนียม 6061	23.6	69	เทมเปอร์ T6
ทองแดง	17.0	117	บริสุทธิ์ อบอ่อน
ทองเหลือง (CuZn30)	20.0	110	ตลับทองเหลือง
บรอนซ์ (CuSn8)	18.0	110	ฟอสฟอร์บรอนซ์
ไทเทเนียมเกรด 2	8.6	103	บริสุทธิ์เชิงพาณิชย์
นิกเกิล 200	13.3	207	นิกเกิลบริสุทธิ์
อินโคเนล 625	12.8	207	นิกเกล-โครม-โมลิบเดนัม
อินโคเนล 718	13.0	211	นิกเกล-โครเมียม-เหล็ก
เหล็กหล่อสีเทา	10.5	110	GG25
เหล็กหล่อเหนียว	11.0	170	จีจีจี40
คอนกรีต	12.0	30	แตกต่างกันไปตามส่วนผสม
แก้ว (โซดาไลม์)	9.0	72	กระจกหน้าต่าง
PTFE (เทฟลอน)	120.0	0.5	มีค่า CTE สูงมาก
เอชดีพีอี	150.0	1.0	โพลีเอทิลีน
พีวีซี	80.0	3.0	พีวีซีแข็ง
อินวาร์ 36	1.2	145	โลหะผสมที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก

💡 หมายเหตุ: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ระบุไว้เป็นค่าเฉลี่ยสำหรับช่วงอุณหภูมิ 20–100°C สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรืออุณหภูมิต่ำมาก ให้ใช้ข้อมูลเฉพาะจากมาตรฐานวัสดุ.

เครื่องคำนวณการขยายตัวทางความร้อน — เชิงเส้น ปริมาตร และความเค้น

เผยแพร่โดย นิโคไล เชลโคเวนโก บน 15 ก.พ. 2569 5 มีนาคม 2569