بررسی ضریب انبساط حرارتی در انواع میلگرد؛ اهمیت این ویژگی چیست؟

ضریب انبساط حرارتی در انواع میلگرد، یک ویژگی فیزیکی است که نشان می دهد فولاد چقدر در برابر گرما و افزایش دما، تغییر شکل می دهد. این یک پارامتر بسیار مهم درباره انواع مقاطع فولادی، بخصوص میلگردهای فولادی است زیرا این مصالح باید در کنار بتن، تقویت و استحکام سازه را تضمین کنند. ضریب انبساط حرارتی برای بتن نیز تعریف می شود و در کنار میلگردها باید شرایط دمایی مختلف را تحمل کنند.

به طور کلی، ضریب انبساط حرارتی برای میلگردهای فولادی، چیزی معادل 0.0000012 تعریف شده است. این یک تغییر خطی محسوب می شود و در انواع فولاد، متغیر است. با بررسی عمیق تر درباره این معیار در میلگردهای فولادی مختلف، متوجه می شوید که ضریب انبساط حرارتی در گریدهای مختلف میلگرد، تفاوت چشم گیر با هم ندارند. این فاکتور در میلگرد فولادی کامپوزیتی، کمی متفاوت تر است.

وقتی فولاد در معرض تغییرات دمایی قرار می گیرد، اندازه آن تغییر می یابد و این می تواند به عنوان یک انبساط و انقباض حرارتی شناخته شود. طبیعتاً این یک واکنشگری فیزیکی است؛ یعنی افزایش دما باعث افزایش طول یا قطر فولاد، و کاهش دما باعث کوچک تر شدن اندازه های مقطع فولادی خواهد شد. این معیار فیزیکی به اندازه ای اهمیت دارد که می تواند دوام سازه را تضمین نموده یا به خطر بیاندازد.

بررسی ضریب انبساط حرارتی در انواع میلگرد فولادی، به تغییرات در طول، نسبت به اندازه اولیه میلگرد، تغییرات دمایی و نوع رفتار فولاد بستگی دارد. برای این معیار در میلگردها، یک عدد گزارش می شود و در محاسبات مهندسی کاربردهای زیادی دارد.

در این مطلب به طور تخصصی درباره پارامتر فیزیکی ضریب انبساط حرارتی در انواع میلگرد فولادی صحبت می کنیم. اما قبل از آن، تعریف ساده ای از این عبارت مهندسی خواهیم داشت.

ضریب انبساط حرارتی چیست؟

ضریب انبساط حرارتی (Thermal expansion coefficient)، یک مشخصه فیزیکی است و نشان می دهد مواد در اثر تغییرات دمایی، چقدر انبساط یا انقباض پیدا می کنند.

با توجه به این تعریف، عوامل دمایی، نقش کلیدی در مقدار ضریب انبساط حرارتی ماده دارند؛ و البته ماهیت ماده و عناصر سازنده آن نیز در این فرآیندها دخیل هستند. طبق تعریف مهندسی، ضریب انبساط حرارتی در میلگرد فولادی به ما می گوید، اندازه های میلگرد در اثر افزایش 1 درجه سانتی گراد دما، چقدر افزایش دارد!

ضریب انبساط حرارتی ماده به سه شکل تعریف می شود؛ 1) ضریب انبساط حرارتی خطی (تغییرات ماده در واحد طول، به ازای تغییر 1 درجه دما)، 2) ضریب انبساط حرارتی حجمی (تغییرات ماده در واحد حجم، به ازای تغییر 1 درجه دما) و 3) ضریب انبساط حرارتی سطحی (تغییرات ماده در واحد مساحت، به ازای تغییر 1 درجه دما).

درباره انواع میلگردهای فولادی، محاسبه ضریب انبساط حرارتی، به تغییرات در واحد طول مربوط می شود؛ و البته اندازه های قطر آن نیز اهمیت دارد.

ضریب انبساط حرارتی میلگردهای فولادی را چطور محاسبه می کنند؟

میلگردهای فولادی در معرض تغییرات دمایی دچار افزایش یا کاهش طول می شوند. در میلگردها، ما صرفاً درباره افزایش طول آنها صحبت می کنیم، پس وقتی می گوییم ” ضریب انبساط حرارتی”، یعنی اینکه طول میلگرد فولادی چقدر در شرایط افزایش دما، بلندتر می شود. این یک معیار فیزیکی است که باید محاسبه شود.

برای محاسبه مقدار افزایش طول میلگرد فولادی در اثر افزایش دما باید بدانید که دما دقیقاً چقدر بالاتر رفته است و طول میلگرد چگونه تغییر می کند؛ یعنی باید اندازه اولیه طول میلگرد را در اختیار داشته باشید.

فولاد نیز مشابه با سایر انواع مواد، در اثر افزایش دما، منبسط می شود. نوع واکنش انبساطی در انواع میلگردهای فولادی، متفاوت است، زیرا ترکیب درصد عناصر و گرید میلگرد فولادی، با هم فرق دارد.

برای محاسبه مقدار ضریب انبساط حرارتی میلگرد فولادی به این روش عمل می کنند:

1- از یک دماسنج برای اندازه گیری تغییرات دمایی استفاده کنید.

دما باید بر حسب فارنهایت گزارش شود. از تبدیل واحد سانتی گراد به فارنهایت می توانید کمک بگیرید. به طور مثال، اگر دمای اولیه، 70 درجه فارنهایت و دمای ثانویه 75 درجه فارنهایت باشد، مقدار افزایش دما، معادل 5 درجه فارنهایت خواهد بود.

2- تغییرات دمایی را باید در عدد 7.2×10^-6 ضرب کنید.

این رقم، همان ضریب انبساط فولاد است که از مراجع استاندارد، استخراج شده است. برای مثال بالا، باید عدد 5 را در این رقم ضرب کنید که نتیجه، معادل عدد 0.000036 خواهد بود.

3- حاصل ضرب به دست آمده از محاسبه فوق را باید در اندازه طول اولیه فولاد، ضرب کنید.

برای این قسمت، باید اندازه اولیه فولاد را داشته باشید. اگر طول میلگرد در ابتدا، قبل از افزایش دما، 100 اینچ بوده است، این رقم را باید در نتیجه قسمت قبلی، یعنی در عدد 0.000036 ضرب کنید. که معادل 0.0036 به دست می آید. این عدد نهایی به شما نشان می دهد فولاد در معرض افزایش دما، 0.0036 اینچ، بلندتر می شود.

اهمیت ضریب انبساط حرارتی انواع فولاد چیست؟

اکنون که تصمیم گرفته‌ایم به صورت تخصصی درباره مسئله ضریب انبساط حرارتی در میلگرد فولادی صحبت کنیم، لازم می‌دانیم به اهمیت این معیار اشاره‌ای داشته باشیم و توضیح دهیم که چرا تا این اندازه مورد توجه واقع می‌شود.

آیا می‌دانید محاسبه ضریب انبساط حرارتی فولاد چه کاربردهایی دارد؟ یا اینکه دقت آن در پروژه‌های مختلف باید چقدر باشد؟

این‌ها مباحث مهمی هستند که قبل از شروع یک پروژه ساخت و ساز باید درباره‌اش به خوبی تحقیق شود. اعداد و ارقام باید دقیقاً محاسبه شوند، بدون آنکه کوچک‌ترین انحرافی در نتایج وجود داشته باشد.

اهمیت پارامتر فیزیکی انبساط حرارتی، بسیار زیاد است؛ بخصوص وقتی که قرار است با انواع فلزات و به طور ویژه با مقاطع فولادی کار کنید. کاربردهایی که در آنها از فولاد استفاده می‌شود، به شدت تحت تاثیر تغییرات دمایی قرار می‌گیرند. سازه‌های فولادی با شرایط محیطی در تماس هستند، پس قطعاً فرایند انبساط و انقباض را به طور ذاتی تجربه می‌کنند؛ این به معنای به خطر افتادن ایمنی سازه در شرایط عملیاتی شدید است…

در وضعیت فوق، چیزی که استحکام، دوام و ایمنی سازه‌های فولادی را تضمین می‌کند، محاسبات مهندسی دقیق بر اساس استانداردها است که یکی از آنها همین ضریب انبساط حرارتی می‌باشد.

اجزای فولادی در سازه‌ها، با فرض اینکه حتی هیچ جزء متحرکی وجود نداشته باشد، می‌توانند در معرض تنش‌های حرارتی، نوسانات دمایی، فشار و خستگی ناشی از تغییرات دما قرار بگیرند؛ که وضعیت کلی آنها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به همین دلیل است که در سازه‌های بزرگ از جمله ساختمان‌های چند طبقه، پل‌ها، خطوط لوله و ریل‌های راه آهن، گاهی اتصالاتی نصب می‌شوند تا انبساط ایجاد شده را تحت پوشش قرار دهد.

در نظر گرفتن یک فضای مناسب برای انبساط فولاد در سازه می‌تواند طول عمر آن را افزایش دهد. مهندسان، زمانی در این عملیات موفق می‌شوند که ضریب انبساط حرارتی فولاد را به دقت محاسبه کنند.

باید در همین جا خاطرنشان کنیم که ضریب انبساط حرارتی، نه تنها در میلگردهای فولادی اهمیت دارد، بلکه درباره طراحی و ساخت قطعات فولادی نیز به کار می‌رود. حتی کوچک‌ترین قطعه فولادی در یک ماشین یا دستگاه، نوسانات دمایی انبساط یا انقباض را تجربه می‌کند؛ در نتیجه بر روی عملکرد کلی آن تجهیزات تاثیر می‌گذارد.

به طور کلی، انبساط و انقباض مقاطع فولادی، چه میلگرد باشد یا صفحه یا لوله، تیرآهن یا قوطی، در هر شکل، تحت تاثیر تغییرات دمایی قرار خواهد گرفت؛ به همین دلیل، ضریب انبساط حرارتی به عنوان یک مشخصه فنی فیزیکی در جدول مشخصات محصول حتماً درج می‌گردد.

بررسی انبساط حرارتی فولاد از دیدگاه فیزیکی

فولاد مانند هر جامد دیگری هنگام گرم شدن، منبسط می‌شود و در اثر کاهش دما انقباض پیدا می‌کند. انبساط حرارتی در فولاد از دیدگاه فیزیکی، ساده است. اگر در سطح اتمی به فولاد نگاه کنید، می‌بینید هنگام افزایش دما فاصله بین اتم‌ها افزایش پیدا می‌کند، زیرا گرما را جذب می‌کنند. دما تابعی از میانگین انرژی جنبشی در اتم‌های فولاد است؛ هرچه دما بالاتر رود، اتم‌ها با سرعت بیشتری شروع به لرزش می‌کنند؛ پس فاصله بین آنها افزایش می‌یابد. نتیجه کلی که اتفاق می‌افتد، افزایش طول، سطح یا حجم فولاد است.

بر همین اساس، ضریب انبساط حرارتی خطی (ویژه میلگردهای فولادی)، ضریب انبساط حرارتی سطحی (ویژه صفحات و ورق‌های فولادی) و ضریب انبساط حرارتی حجمی (ویژه انواع شمش فولادی) برای این مقاطع آلیاژی تعریف می‌شود.

ضریب انبساط خطی را در شکل زیر مشاهده می‌کنید:

ضریب انبساط سطحی را در شکل زیر مشاهده می‌کنید:

ضریب انبساط حجمی را در شکل زیر مشاهده می‌کنید:

ضریب انبساط حرارتی خطی برای رایج‌ترین انواع فولاد کربنی ساده، کم آلیاژ و فولاد ضد زنگ در شکل زیر نشان داده شده است:

به عنوان آخرین نکته در این قسمت لازم است اشاره کنیم ضریب انبساط حرارتی در انواع فولاد با توجه به ساختار و کریستالوگرافی آن تعیین می‌شود؛ آزمون‌های مرتبط برای گزارش اعداد و ارقام در بخش کنترل کیفیت فولاد انجام می‌گیرند.

انبساط حرارتی خطی در انواع فولاد خاص مثلاً در فولاد نورد گرم، تفاوت قابل توجهی با سایر گریدهای فولاد نورد گرم دارد، زیرا ساختار و دانه‌بندی فولاد نورد سرد، متفاوت‌تر است. علاوه بر این، افزودن عناصر آلیاژی مختلف به فولاد از جمله مولیبیدن، کروم، نیکل، وانادیوم، فسفر یا گوگرد می‌تواند ساختار آلیاژ را تغییر دهد و بنابراین بر روی ضریب انبساط حرارتی آن تاثیر می‌گذارد.

امروزه محققان به دنبال آن هستند که مقاطع فولادی آلیاژی، ترکیبی و کامپوزیتی نو ظهور را به صنعت آهن و فولاد معرفی کنند؛ به گونه‌ای که در بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی، از جمله همین ضریب انبساط حرارتی، به بهترین شکل بهینه سازی شده‌اند.

 جمع بندی و نتیجه گیری

ضریب انبساط حرارتی در انواع میلگرد فولادی، به طور کلی، چیزی معادل 1.2×10^-5 بر درجه سلسیوس است. این رقم نشان می دهد میلگرد فولادی به ازای هر 1 درجه سانتی گراد تغییرات دمایی، چقدر افزایش یا کاهش طول دارد. محاسبه این فاکتور فیزیکی برای میلگرد فولادی که قرار است در کنار بتن در سازه ها به کار روند، اهمیت زیادی دارد زیرا استحکام کل بنا را تضمین می کنند.

معیار ضریب انبساط حرارتی در میلگردهای فولادی، بسته به گرید میلگرد، ساختار و درصد عناصر فولاد، متغیر است اما به طور کلی، این پارامتر، در انواع میلگردها تفاوت فاحشی با هم ندارند. محاسبه نرخ انبساط میلگردها در کنار بتن، بر عهده مهندسان و طراحان ساختمان است. توجه به عدد ضریب انبساط حرارتی، یکی از نکات مهم در خرید میلگرد فولادی است. این پارامتر همیشه در جدول مشخصات فنی محصول درج می شود.

خرید متریال فولادی باکیفیت از یک تأمین کننده معتبر، نقش کلیدی در تضمین ایمنی و استحکام سازه دارد. بنابراین، شرکت پردیس فولاد، مرجع فروش بهترین گریدهای میلگرد فولادی در ایران است.

محصولات این شرکت، دارای گواهینامه های استاندارد هستند و جدول مشخصات فنی و فیزیکی – شیمیایی میلگرد نیز به مشتریان ارائه می شود. با اطمینان خاطر می توانید میلگردهای مورد نیاز برای پروژه های خود را در حجم سفارشی، خریداری کنید.

از دیگر محصولات این شرکت، شمش فولادی برای تأمین خوراک ورودی صنایع تولیدی و کارگاه های مرتبط با مصنوعات فلزی است. همچنین می توانید قیمت شمش فولادی را به روز و طبق آخرین تغییرات بازار استعلام بگیرید.

برای کسب اطلاعات بیشتر، همین حالا با کارشناسان فروش تماس حاصل فرمایید.