مفهوم ضریب حرارتی چیست؟
تعریف علمی ضریب انبساط حرارتی
ضریب انبساط حرارتی (α) نسبت تغییر طول به طول اولیه به ازای یک درجه تغییر دماست. مقدار α برای هر ماده و حتی هر آلیاژ متفاوت است و با بازه دمایی نیز تغییر میکند.
واحد اندازهگیری ضریب حرارتی
-
رایجترین واحد، ×۱۰⁻⁶/°C (یا µm/m·°C) است. مثلاً α=۱۲×۱۰⁻⁶/°C یعنی هر متر فولاد با افزایش ۱ درجه، ۱۲ میکرون افزایش طول میدهد.
عوامل مؤثر بر مقدار ضریب حرارتی مواد
-
ترکیب شیمیایی و نوع آلیاژ (کربن، کروم، نیکل، مولیبدن)
-
محدوده دمایی کار (در دماهای بالا معمولاً α کمی افزایش دارد)
-
عملیات حرارتی و ریزساختار (اندازه دانه، تنشهای پسماند)
-
تاریخچه بارگذاری و کارسرد (روی رفتار انبساطی اثر میگذارد)
ضریب حرارتی فولاد چقدر است؟
ضریب انبساط حرارتی فولاد کربنی
در بازه ۲۰ تا ۱۰۰°C، فولادهای کربنی معمولاً ۱۱ تا ۱۳ ×۱۰⁻⁶/°C هستند. این نزدیکی به بتن (≈۱۰×۱۰⁻⁶/°C) یکی از دلایل سازگاری فولاد و بتن در سازههای مرکب است.
ضریب حرارتی فولاد ضد زنگ (استنلس استیل)
آلیاژهای رایج نظیر ۳۰۴ و ۳۱۶ تقریباً ۱۶ تا ۱۷ ×۱۰⁻⁶/°C هستند. در نماهای ظریف و اتصالات حساس، این مقدار بیشتر بودن نسبت به فولاد کربنی باید با درزگذاری و جزئیات لغزشی جبران شود.
مقایسه ضرایب فولادهای مختلف
-
کربنی: 11–۱۳×۱۰⁻⁶/°C
-
زنگنزن آستنیتی (۳۰۴/۳۱۶): 16–۱۷×۱۰⁻⁶/°C
-
گروههای فریتی/مارتنزیتی خاص: بعضاً α پایینتر، ولی انتخاب آنها تابع نیازهای مقاومت، خوردگی و هزینه است.
فرمول محاسبه تغییر طول فولاد بر اثر دما
رابطه بین دما و انبساط طولی
ΔL=α×L×ΔT\Delta L = \alpha \times L \times \Delta T
-
ΔL: تغییر طول
-
α: ضریب انبساط خطی
-
L: طول اولیه
-
ΔT: تغییر دما
مثال عددی از محاسبه تغییر طول فولاد
تیر فولادی ۱۲ متری از جنس فولاد کربنی با α=۱۲×۱۰⁻⁶/°C، اگر از ۲۰°C به ۵۵°C برسد (ΔT=35°C):
ΔL=12×۱۰−۶×۱۲×۳۵≈۰.۰۰۵۰۴ m≈۵ mm\Delta L = 12\times10^{-6} \times 12 \times 35 \approx 0.00504\,\text{m} \approx 5\,\text{mm}
یعنی تیر حدود ۵ میلیمتر بلندتر میشود. اگر درز انبساط، اسلایدینگ براکت یا فواصل کشویی پیشبینی نشود، همین ۵ میلیمتر میتواند در نما صدای تقتق ایجاد کند یا در سازه موجب تنش اضافی و تاببرداشتن شود.
چرا ضریب حرارتی فولاد اهمیت دارد؟
نقش در طراحی سازههای فلزی
در پلها، سولهها و سازههای بلند، تغییرات دما روی طول مؤثر و اتصالات اثر دارد. مهندسان با درزهای انبساطی، صفحات لغزشی، یاتاقانهای الاستومری و جزئیات انعطافپذیر این تغییرات را مدیریت میکنند تا سازه ایمن، بیصدا و بادوام بماند.
کاربرد در خطوط لوله و تجهیزات صنعتی
در صنایع نفت و گاز و نیروگاهها، اختلاف دمای راهاندازی/خاموشی و چرخههای فرایندی، انبساط و انقباض محسوسی ایجاد میکند. لوپهای انبساطی، ساپورتهای فنری، گاید–استاپ و انکر از اجزای حیاتی برای جلوگیری از نشتی، ترک و خستگی حرارتی هستند.
تأثیر بر جوشکاری و ساخت قطعات دقیق
گرادیان دمایی حین جوشکاری باعث جمعشدگی موضعی و اعوجاج میشود. انتخاب توالی پاسها، پیشگرم/پسگرم، کنترل ورودی حرارت و فیکسچر مناسب برای جلوگیری از کجی و تابیدگی حیاتی است—بهویژه در فریمهای ظریف نما و ابزار دقیق.
مقایسه ضریب حرارتی فولاد با سایر فلزات
فولاد در مقابل آلومینیوم
آلومینیوم با ≈۲۳×۱۰⁻⁶/°C تقریباً دو برابر فولاد کربنی منبسط میشود. در نماهای مختلط فولاد–آلومینیوم، باید واسطهای لغزشی، شیارهای طولی، پیچهای سوراخ لوبیایی و الاستومرهای جداکننده را برای جلوگیری از انتقال تنش و صدای حرارتی در نظر گرفت.
فولاد در مقابل مس و برنج
مس ≈۱۷×۱۰⁻⁶/°C و برنج نزدیک به آن است. در کویلها، مبدلها و تابلوهای ترکیبی فولاد–مس/برنج، اختلاف α میتواند منجر به برشهای مرزی و خستگی پیچها شود. راهکار، طولهای کوتاهتر مدولار، کوپلینگهای انعطافپذیر و درزبندی هوشمند است.
چرا تفاوت ضریب حرارتی در طراحی مهم است؟
هرجا دو ماده با α متفاوت سخت به هم متصل شوند، تغییر دما تنش برشی و کششی در فصل مشترک میسازد. نتیجه در طول زمان: شلشدن پیچ، ریزترک، صدای نامطلوب و کاهش عمر. راهحل: حرکت کنترلشده بهجای قفل کردن کامل اتصال.
روشهای کنترل و جبران انبساط حرارتی فولاد
استفاده از اتصالات انبساطی
-
Expansion Joint در تیرها، دالها و عرشهها
-
لوپ انبساطی در خطوط لوله
-
براکتهای لغزشی و اسپیسر در نما
هدف، دادن آزادی حرکت کنترلشده است تا انبساط در سازه یا نما گرفتگی تنش ایجاد نکند.
انتخاب آلیاژ مناسب
-
برای دمای بالا، ممکن است استنلس آستنیتی لازم باشد، اما α بالاتر آن را باید در جزئیات جبران کرد.
-
برای ابزار دقیق و تلرانسهای سخت، آلیاژهایی با α پایینتر یا ترکیب مواد (مثلاً فولاد + کامپوزیت با واسط لغزشی) پایداری ابعادی بهتری میدهند.
طراحی انعطافپذیر سازهها
-
درزهای مدولار، پوششهای همپوشان، اتصالات لغزشی
-
گاید–استاپ برای جهتدهی حرکت در پایپینگ
-
قطعهبندی طولی بهجای اعضای یکپارچه خیلی بلند
نتیجه: سرعت اجرا بالاتر، ریسک بهرهبرداری کمتر، سرویس و نگهداری سادهتر.
نکات اجرایی طلایی (چکلیست کوتاه)
-
ΔT محتمل پروژه را بر اساس اقلیم، تابش، دمای عملکردی و رنگ مصالح تخمین بزنید.
-
α مصالح مجاور (فولاد، آلومینیوم، مس، شیشه، کامپوزیت) را در یک جدول واحد کنار هم قرار دهید.
-
برای طولهای بلند، درز مدولار و صفحات لغزشی را الزامی کنید.
-
در نما و تابلو، از پیچهای سوراخ لوبیایی، بوش/واشر الاستومری و براکتهای کشویی استفاده کنید.
-
در جوشکاری، پاسهای متقارن و کنترل ورودی حرارت را اجرا کنید؛ در صورت نیاز تنشزدایی انجام دهید.
-
در پایپینگ، لوپ انبساطی، گاید–استاپ و انکر را مطابق مسیر و بارهای حرارتی طراحی کنید.
-
بعد از فصول گرم/سرد، بازدید نگهداری اتصالات حساس را در برنامه قرار دهید.
سؤالات متداول (FAQ)
۱) ضریب حرارتی فولاد چیست؟
شاخصی برای میزان تغییر طول/حجم فولاد بر اثر تغییر دما.
۲) مقدار ضریب حرارتی فولاد چقدر است؟
کربنی: ۱۱–۱۳×۱۰⁻⁶/°C؛ استنلسهای رایج: ۱۶–۱۷×۱۰⁻⁶/°C.
۳) کدام فولاد α کمتری دارد؟
عموماً فولادهای کربنی از استنلسهای آستنیتی α کمتری دارند.
۴) چرا دانستن آن مهم است؟
برای ایمنی، دوام، کنترل اعوجاج و کاهش هزینه نگهداری.
۵) تغییر طول را چگونه حساب کنیم؟
ΔL=α×L×ΔT\Delta L = \alpha \times L \times \Delta T
۶) آیا α با دما تغییر میکند؟
بله؛ بالای ۴۰۰°C معمولاً کمی افزایش دارد.
۷) تفاوت فولاد و آلومینیوم؟
آلومینیوم ≈ ۲ برابر فولاد کربنی منبسط میشود (≈۲۳×۱۰⁻⁶/°C).
۸) اثر در جوشکاری؟
باعث تنش حرارتی، جمعشدگی موضعی و اعوجاج میشود؛ کنترل توالی و حرارت ضروری است.
۹) α استنلس چقدر است؟
برای ۳۰۴/۳۱۶ حدود ۱۶–۱۷×۱۰⁻⁶/°C.
۱۰) راهکارهای کنترل انبساط؟
اتصالات انبساطی، جزئیات لغزشی، انتخاب آلیاژ مناسب، قطعهبندی طولی.
۱۱) تغییر دما روی استحکام اثر دارد؟
بله؛ در دمای بالا استحکام کاهش و در دمای پایین تردی افزایش مییابد.
۱۲) چه دمایی نگرانکننده است؟
معمولاً ۴۰۰–۵۰۰°C به بالا تغییرات خواص مکانیکی محسوس میشود.
۱۳) کجاها حیاتیتر است؟
نیروگاهها، نفت و گاز، سازههای بلند، نماهای سبک، تجهیزات دقیق.
