Заглавие: Изчисление на разширението на неръждаема стомана 316L: Ефекти на температура и налягане

14 април 2025 by Mustafa Sazer in Uncategorized

Текст:

При неръждаема стомана 316L степента на разширение се увеличава с повишаване на температурата, но това увеличение може да не е линейно, тъй като коефициентът на топлинно разширение (α) може леко да се промени в зависимост от температурата.

Промяна на топлинното разширение с температурата:

Средният линеен коефициент на топлинно разширение (α) на неръждаема стомана 316L в различни температурни диапазони е както следва:

E-Tablolar’a aktar

Както се вижда, стойността на α леко се увеличава с повишаване на температурата, което означава, че разширението ще се извършва малко по-бързо от линейно, въпреки че не е експоненциално.

Изчисляване на топлинното разширение:

Линейният коефициент на топлинно разширение (α) за неръждаема стомана 316L е приблизително:

α ≈ 16 × 10⁻⁶ /°C

Количество на разширение:

ΔL = L₀ × α × ΔT

• L₀: Начална дължина (например 1 метър)
• ΔT: Промяна на температурата (да приемем 100°C – 20°C = 80°C)

Примерно изчисление (за 1 метър):

ΔL = 1 m × (16 × 10⁻⁶ /°C) × 80°C = 0,00128 m = 1,28 mm

Количество на разширение при различни температури (пример: за 1 метър материал):

По-долу са изчислени количествата на разширение на стомана 316L с дължина 1 метър при различни температури.

E-Tablolar’a aktar

Забележка:

• Приема се, че началната температура е 20°C.
• В реални приложения механичните свойства на материала могат да се променят при високи температури (например намаляване на якостта или ефект на триене).

Много високи температури (800°C и повече):

• Около 600-800°C α може да се увеличи още повече (~19-20 × 10⁻⁶/°C).
• Няма фазова промяна (316L запазва своята аустенитна структура), но якостта намалява и започва ефект на пълзене.
• Над 1000°C има риск от окисление и структурно разграждане.

Резултат:

• Количеството на разширение се увеличава с повишаване на температурата и това увеличение не е линейно.
• До 500°C 1 метър стомана 316L може да се разшири с ~8-9 mm.
• При температури 800°C+ топлинното разширение става по-изразено, но якостта на материала също намалява.

Ефект на налягането:

При метали като неръждаема стомана 316L директният ефект на повишаване на налягането върху разширението е много малък, тъй като твърдите вещества не могат да се компресират, но високите налягания могат да повлияят косвено на еластичната деформация и поведението на топлинно разширение.

Ефект на чисто налягане (ниско/средно ниво: 1-100 бара):

Налягания като 6-100 бара не причиняват измерима промяна в дължината на стомана 316L.

Например, дори при налягане 100 бара (~10 MPa), еластичната деформация в стоманата е на ниво микрон.

• Според закона на Хук: ΔL=P⋅L0E⋅AΔL=E⋅AP⋅L0​​
• Тъй като E (модул на еластичност, ~193 GPa за 316L) е много висок, деформацията е незначителна.
• Пример: Пръчка с дължина 1 метър се съкращава с ~0,5 µm при налягане 100 бара (практически незначително).

Много високи налягания (1000 бара и повече):

При налягания 1000 бара (~100 MPa) и повече:

• Еластичната деформация се увеличава, но все още е много малка (съкращаване с ~0,5 mm на 1 метър).
• Ако се надвиши началото на пластична деформация (граница на провлачване, ~200-300 MPa за 316L), настъпва постоянна промяна в дължината.
• Коефициентът на топлинно разширение (α) може леко да намалее с налягане (високите налягания намаляват междуатомното разстояние).

Комбинация от налягане + температура:

Едновременно висока температура и налягане (например 500°C + 500 бара):

• Топлинното разширение е доминиращият ефект, но налягането частично предотвратява разширението на материала.
• Действителното количество на разширение може да бъде с 1-5% по-ниско от теоретичното топлинно разширение.
• Пример: 1 метър стомана 316L може да се разшири с ~8,2 mm вместо ~8,6 mm при 500°C.

Екстремни условия (10 000+ бара и висока температура):

• При хидростатично налягане (например дълбоко море или индустриални преси):
• Кристалната структура на материала се компресира и α значително намалява.
• Има риск от фазова промяна (например аустенит → мартензит).

Резултат: Ефект на повишаване на налягането върху разширението:

E-Tablolar’a aktar

Резюме:

• Само налягането не разширява измеримо стомана 316L, а леко я компресира.
• При комбинация от висока температура + налягане топлинното разширение е леко потиснато.
• В критични приложения (нефтопроводи, реактори под налягане) топлинното и механичното разширение трябва да се моделират заедно.

Източници:

1. Източници за коефициент на топлинно разширение (α)
   • ASM Handbook, Volume 1: Properties and Selection of Metals
     • Коефициенти на топлинно разширение на неръждаема стомана 316L, променящи се с температурата (диапазон 20-500°C).
     • ASM International
   • Euro Inox (European Stainless Steel Development Association)
     • Физични свойства на неръждаемите стомани (Таблица: „Топлинно разширение на неръждаеми стомани“).
     • Euro inoks – Данни за топлинно разширение
   • NIST (Национален институт за стандарти и технологии)
     • База данни за свойства на материалите (топлинно разширение за 316L).
     • NIST база данни за материали.
2. Модул на Йънг (E) и ефекти на налягане
   • Инженеринг Toolbox
     • Еластичен модул на неръждаеми стомани и изчисления на деформация под налягане.
     • Инженеринг Toolbox – Неръждаема стомана
   • MatWeb (Данни за свойства на материалите)
     • Механични свойства на 316L (Модул на Йънг: ~193 GPa).
     • MatWeb – Неръждаема стомана 316L
   • Закон на Хук и еластична деформация
     • Основни книги за инженерна механика (Например: Mechanics of Materials от Beer & Johnston)
3. Източници за поведение при високо налягане и температура
   • ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Section II: Materials
     • Критерии за производителност на 316L при висока температура и налягане.
     • Стандарти ASME BPVC
   • Journal of Nuclear Materials (Научни статии)
     • Механизми на деформация на 316L при екстремни налягания и температури.
4. Практическо приложение и референции за дизайн
   • VDI Heat Atlas (Германска инженерна асоциация)
     • Ръководство за дизайн за взаимодействия на топлинно разширение и налягане.
   • Наръчник на машиностроенето
     • Поведение на материалите в индустриални приложения.

contact