Lämpölaajeneminen on ilmiö, jossa metallit muuttuvat koossa lämpötilan vaihtelujen vuoksi. Tämän käyttäytymisen ymmärtäminen on välttämätöntä insinööreille ja suunnittelijoille metallikomponenttien turvallisuuden ja toimivuuden varmistamiseksi eri sovelluksissa.

Lämpölaajennuksen perusteet

Kun metallit kuumennetaan, niiden atomit värähtelevät voimakkaammin, mikä saa materiaalin laajenemaan. Toisaalta jäähdytys johtaa supistumiseen. Laajenemisen määrä riippuu materiaalin ominaisuuksista ja lämpötilan muutoksesta.

Lämpölaajenemisen laskeminen

Metallin lineaarinen laajeneminen voidaan laskea kaavalla:

]ΔL = α × L0 × ΔT

jossa ΔL on pituuden muutos, α on lineaarisen laajenemisen kerroin, ]L0[] on alkuperäinen pituus ja [ΔT on lämpötilan muutos.

Suunnittelunäkökohdat

Konemestarien on otettava huomioon lämpölaajeneminen suunniteltaessa metallirakenteita. Päästöoikeudet tehdään lämpötilan muutoksista johtuvan stressin tai muodonmuutoksen estämiseksi. Yhteiset strategiat ovat:

  • joissa on laajennusliitokset
  • Joustavien materiaalien käyttö
  • Suunnittelu suurinta odotettua kasvua varten
  • Valitsevat materiaalit, joilla on alhainen kasvukerroin

Käytännön esimerkki

Oletetaan, että 2 metrin pituinen terässauva lämmitetään 20 °C:sta 100 °C:seen. Teräkselle voidaan laskea lineaarinen laajennuskerroin, joka on noin 12 × 10-6 /°C:

]ΔL = 12 × 10[-6 × 200 cm × 80 °C = 0,192 cm