316L Paslanmaz Çelik Genleşme Hesaplaması Sıcaklık ve Basınç Etkileri
316L paslanmaz çeliğin sıcaklık arttıkça genleşme miktarı da artar, ancak bu artış lineer (doğrusal) olmayabilir, çünkü termal genleşme katsayısı (α) sıcaklığa bağlı olarak hafifçe değişebilir.
Termal Genleşmenin Sıcaklıkla Değişimi
316L paslanmaz çeliğin ortalama doğrusal termal genleşme katsayısı (α), farklı sıcaklık aralıklarında şu şekildedir:
| Sıcaklık Aralığı (°C) | Termal Genleşme Katsayısı (α) [×10⁻⁶/°C] |
| 20 – 100 | ~16.0 |
| 20 – 200 | ~16.5 |
| 20 – 300 | ~17.0 |
| 20 – 400 | ~17.5 |
| 20 – 500 | ~18.0 |
Görüldüğü gibi sıcaklık arttıkça α değeri de hafifçe artar bu da genleşmenin üstel olmasa da lineerden biraz daha hızlı gerçekleşeceği anlamına gelir.
Termal Genleşme Hesaplaması
316L paslanmaz çelik için doğrusal termal genleşme katsayısı (α) yaklaşık:
α ≈ 16 × 10⁻⁶ /°C
Genleşme miktarı:
ΔL = L₀ × α × ΔT
L₀: Başlangıç boyu (örneğin 1 metre)
ΔT: Sıcaklık değişimi (100°C – 20°C = 80°C varsayalım)
Örnek hesaplama (1 metre için):
ΔL = 1 m × (16 × 10⁻⁶ /°C) × 80°C = 0,00128 m = 1,28 mm
Farklı Sıcaklıklarda Genleşme Miktarı (örnek:1 metre malzeme için)
Aşağıda 1 metre uzunluğundaki 316L çeliğin farklı sıcaklıklardaki genleşme miktarları hesaplanmıştır.
| Son Sıcaklık (°C) | ΔT (°C) | Genleşme Katsayısı (α) | Genleşme Miktarı (ΔL) |
| 100 | 80 | 16.0 ×10⁻⁶/°C | 1.28 mm |
| 200 | 180 | 16.5 ×10⁻⁶/°C | 2.97 mm |
| 300 | 280 | 17.0 ×10⁻⁶/°C | 4.76 mm |
| 400 | 380 | 17.5 ×10⁻⁶/°C | 6.65 mm |
| 500 | 480 | 18.0 ×10⁻⁶/°C | 8.64 mm |
Not:
- Başlangıç sıcaklığı 20°C kabul edilmiştir.
- Gerçek uygulamalarda, yüksek sıcaklıklarda malzemenin mekanik özellikleri değişebilir (örneğin mukavemet azalması veya sürtünme etkisi).
Çok Yüksek Sıcaklıklarda (800°C ve Üzeri)
- 600-800°C civarında, α daha da artabilir (~19-20 × 10⁻⁶/°C).
- Faz değişimi olmaz (316L östenitik yapısını korur), ancak mukavemet düşer, sürünme (creep) etkisi başlar.
- 1000°C üzerinde oksidasyon ve yapısal bozulma riski vardır.
Sonuç;
- Sıcaklık arttıkça genleşme miktarı artar ve bu artış doğrusal değildir.
- 500°C’ye kadar 1 metrelik 316L çelik ~8-9 mm uzayabilir.
- 800°C+ sıcaklıklarda termal genleşme daha belirgin hale gelir, ancak malzeme dayanımı da düşer.
316L paslanmaz çelik gibi metallerde basınç artışının genleşmeye doğrudan etkisi çok küçüktür, çünkü katılar sıkıştırılamaz ancak yüksek basınçlar, elastik deformasyon ve termal genleşme davranışını dolaylı yoldan etkileyebilir.
Saf Basınç Etkisi (Düşük/Orta Seviye: 1-100 Bar)
6-100 bar gibi basınçlar, 316L çelikte ölçülebilir bir boy değişimine neden olmaz.
Örneğin, 100 bar (~10 MPa) basınç altında bile çelikte elastik deformasyon mikron seviyesindedir.
- Hooke Yasası’na göre:
ΔL=P⋅L0E⋅AΔL=E⋅AP⋅L0
E (Elastisite modülü, 316L için ~193 GPa) çok yüksek olduğundan, deformasyon ihmal edilebilir.
- Örnek: 1 metrelik çubuk, 100 bar basınçta ~0,5 µm kısalır (pratikte önemsiz).
Çok Yüksek Basınçlar (1000 Bar ve Üzeri)
1000 bar (~100 MPa) ve üzeri basınçlarda:
- Elastik deformasyon artar, ancak yine de çok küçüktür (1 metrede ~0,5 mm kısalma).
- Plastik deformasyon başlangıcı (akma sınırı, 316L için ~200-300 MPa) aşılırsa kalıcı boy değişimi olur.
- Termal genleşme katsayısı (α) basınçla hafif azalabilir (yüksek basınçlar atomlar arası mesafeyi daraltır).
Basınç + Sıcaklık Kombinasyonu
Eşzamanlı yüksek sıcaklık ve basınç (örneğin 500°C + 500 bar):
1000 bar (~100 MPa) ve üzeri basınçlarda:
- Termal genleşme baskın etkidir, ancak basınç malzemenin genleşmesini kısmen engeller.
- Gerçek genleşme miktarı, teorik termal genleşmeden %1-5 daha düşük olabilir.
- Örnek: 1 metre 316L çelik, 500°C’de ~8,6 mm yerine ~8,2 mm uzayabilir
Aşırı Koşullar (10.000 Bar+ ve Yüksek Sıcaklık)
- Hidrostatik basınç altında (örneğin derin deniz veya endüstriyel presler):
- Malzemenin kristal yapısı sıkışır, α belirgin şekilde düşer.
- Faz değişimi riski (örneğin östenit → martensit) olabilir.
Sonuç: Basınç Artışının Genleşmeye Etkisi
| Basınç Aralığı | Genleşmeye Etkisi (1 metre 316L çelik için) |
| 1-100 bar | Etkisiz (Termal genleşme baskın) |
| 100-1000 bar | Elastik deformasyon (µm seviyesinde kısalma) |
| 1000 bar+ | Termal genleşmeyi %1-5 baskılayabilir |
| Aşırı basınçlar | Faz değişimi veya plastik deformasyon riski |
Özet:
- Basınç tek başına 316L çeliği ölçülebilir şekilde genleştirmez, hatta hafifçe sıkıştırır.
- Yüksek sıcaklık + basınç kombinasyonunda termal genleşme az da olsa baskılanır.
- Kritik uygulamalarda (petrol boru hatları, basınçlı reaktörler) termal ve mekanik genleşme birlikte modellenmelidir.
Kaynaklar ;
1. Termal Genleşme Katsayısı (α) için Kaynaklar
- ASM Handbook, Volume 1: Properties and Selection of Metals
- 316L paslanmaz çeliğin sıcaklıkla değişen termal genleşme katsayıları (20-500°C aralığı).
- Euro Inox (European Stainless Steel Development Association)
- Paslanmaz çeliklerin fiziksel özellikleri (Tablo: “Thermal expansion of stainless steels”).
- NIST (National Institute of Standards and Technology)
- Malzeme özellikleri veritabanı (316L için termal genleşme).
2. Young Modülü (E) ve Basınç Etkileri için Kaynaklar
- Engineering Toolbox
- Paslanmaz çeliklerin elastik modülü ve basınç-altında deformasyon hesaplamaları.
- MatWeb (Material Property Data)
- 316L mekanik özellikleri (Young modülü: ~193 GPa).
- Hooke Yasası ve Elastik Deformasyon
- Temel mühendislik mekaniği kitapları (Örneğin: Mechanics of Materials by Beer & Johnston)
3. Yüksek Basınç ve Sıcaklık Davranışı için Kaynaklar
- ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Section II: Materials
- 316L’nin yüksek sıcaklık ve basınç altındaki performans kriterleri.
- Journal of Nuclear Materials (Bilimsel Makaleler)
- 316L’nin aşırı basınç ve sıcaklıklardaki deformasyon mekanizmaları.
4. Pratik Uygulama ve Tasarım Referansları
- VDI Heat Atlas (Alman Mühendislik Birliği)
- Termal genleşme ve basınç etkileşimleri için tasarım kılavuzu.
- Machinery’s Handbook
- Endüstriyel uygulamalarda malzeme davranışı.
Değerli talepleriniz doğrultusunda sizlere KAYACI METAL olarak yardımcı olmak isteriz. Aşağıdaki adreslerimizden bizlere ulaşabilirsiniz.