СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Коэффициенты теплового расширения

КТР меди, латуни, бронзы, никелевых, титановых, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, нержавеющей и конструкционной стали в интервале 20−100°C. С отдельным разбором прецизионных сплавов инвар и ковар, у которых расширение почти нулевое.

10 групп материалов разброс КТР от 1,2 до 29×10⁻⁶/К инвар и ковар как крайний случай

Все свойства

ЧТО ТАКОЕ КТР

Зачем технологу знать коэффициент расширения

Коэффициент теплового линейного расширения (КТР, обозначается α) показывает, на сколько микрометров удлиняется метровый образец материала при нагреве на 1 °C. Измеряется в x10⁻⁶/К или ppm/°C, эти единицы совпадают между собой. Значение всегда привязано к температурному интервалу: у большинства металлов КТР растёт с температурой, поэтому справочные таблицы дают среднее значение для конкретного диапазона, чаще всего 20−100°C. Ниже указан именно этот интервал, отклонения отмечены отдельно.

На практике разница в КТР двух металлов определяет, выдержит ли соединение термоцикл. При сварке и пайке разнородных металлов несовпадающее расширение создаёт остаточные напряжения на границе шва: чем больше разница α, тем выше риск трещин и расслоения при нагреве и остывании. В посадках с натягом расчёт зазора всегда учитывает КТР вала и втулки отдельно, иначе соединение либо заклинит при нагреве, либо ослабнет. В биметаллах и электровакуумных спаях стекло-металл разница КТР используется намеренно, как рабочий эффект, но требует точного подбора пары.

Для большинства конструкционных задач достаточно табличного среднего значения. Для прецизионных узлов, работающих в широком диапазоне температур, точный расчёт требует данных по конкретной плавке и термообработке: у одного и того же сплава разброс между партиями может достигать нескольких процентов.

ПО ГРУППАМ МАТЕРИАЛОВ

КТР 10 групп металлов и сплавов

1. Медь

Чистая медь (М1, М2, электротехническая C11000) имеет один из самых высоких КТР среди технических металлов, уступая только алюминию, магнию и цинку. Это накладывает ограничения на пайку медных узлов с керамикой и стеклом, где чаще применяют промежуточные переходники или сплавы с пониженным расширением.

КТР α ≈ 17,0×10⁻⁶/К (20−100°C)

2. Латуни

Двойные латуни (Л63, ЛС59, CuZn30, CuZn37) расширяются заметнее чистой меди из-за добавки цинка, у которого собственный КТР ещё выше. Разброс между марками невелик, доля цинка в пределах 30−40% почти не меняет итоговое значение.

КТР α ≈ 20,0−21,0×10⁻⁶/К (20−100°C)

3. Бронзы

Оловянные бронзы (БрОФ, БрОЦС) расширяются сильнее алюминиевых (БрАЖ, БрАЖН): легирующий алюминий снижает КТР сплава заметнее, чем олово или свинец. При выборе бронзовой втулки под стальной вал разница в расширении бронзы и стали закладывается в расчёт зазора уже на этапе проектирования посадки.

КТР α ≈ 16,5−18,5×10⁻⁶/К (20−100°C), алюминиевые бронзы ближе к нижней границе

4. Никель и медно-никелевые сплавы

Чистый никель (НП2) и монель (НМЖМц, Monel 400) расширяются похоже на нержавеющую сталь, около 13−14×10⁻⁶/К. Но внутри этой же группы стоят прецизионные железо-никелевые сплавы с принципиально другой физикой: у инвара 36Н (≈36% Ni) расширение почти подавлено эффектом инвара, а ковар 29НК специально подобран под КТР боросиликатного стекла и керамики. Смешивать эти цифры с типовым никелем и монелем нельзя, это разные материалы для разных задач.

Никель, монель: КТР α ≈ 13,3−14,0×10⁻⁶/К (20−100°C)

Инвар 36Н: КТР α ≈ 1,2×10⁻⁶/К (20−100°C), крайний случай в группе

Ковар 29НК: КТР α ≈ 5,1−5,9×10⁻⁶/К (30−200°C), подбирается под стекло и керамику

5. Титан

Технический титан (ВТ1−0) и рабочая лошадка авиастроения ВТ6 (Ti-6Al-4V) держат один из самых низких КТР среди конструкционных металлов, почти вдвое ниже стали. Это одна из причин, почему титановые узлы стабильны в размерах при переменных тепловых нагрузках и хорошо сочетаются с керамикой.

КТР α ≈ 8,6−9,2×10⁻⁶/К (20−100°C)

6. Алюминий

Конструкционные алюминиевые сплавы (АД31, АМг, серия 6061/6082) расширяются почти вдвое сильнее стали. Этот разрыв постоянно приходится учитывать в биметаллических соединениях алюминий-сталь, в креплении алюминиевых панелей на стальном каркасе и в посадках алюминиевых деталей на стальной вал.

КТР α ≈ 23,0−23,6×10⁻⁶/К (20−100°C)

7. Магний

Магниевые сплавы (МА2, АЗ31, АЗ91) расширяются сильнее алюминиевых аналогов и входят в число металлов с самым высоким КТР из применяемых в машиностроении. При проектировании магниевых корпусов и литых деталей это закладывается в допуски уже на этапе чертежа, особенно если рядом находится стальной или титановый крепёж.

КТР α ≈ 26,0−27,0×10⁻⁶/К (20−100°C)

8. Цинк

Литейные цинковые сплавы (ЦАМ4−1, Zamak 3, Zamak 5) держат самый высокий КТР среди всех 10 групп на этой странице. У чистого цинка расширение вдобавок анизотропно, вдоль разных кристаллографических осей значения различаются в несколько раз, поэтому для расчётов используют именно данные по литейным сплавам, а не по чистому металлу.

КТР α ≈ 27,0−29,0×10⁻⁶/К (20−100°C)

9. Нержавеющая сталь

Кристаллическая решётка определяет расширение сильнее, чем содержание хрома и никеля. Аустенитные марки (AISI 304, 12Х18Н10Т, AISI 316) с гранецентрированной решёткой расширяются заметно сильнее ферритных и мартенситных (AISI 430, 12Х17) с объёмноцентрированной решёткой. При выборе нержавейки под сварной узел с обычной углеродистой сталью аустенитная сталь даст больший тепловой зазор в шве, чем ферритная.

Аустенитная (304, 316, 12Х18Н10Т): КТР α ≈ 17,0−17,3×10⁻⁶/К (20−100°C)

Ферритная/мартенситная (430, 12Х17): КТР α ≈ 10,0−11,0×10⁻⁶/К (20−100°C)

10. Стали конструкционные и инструментальные

Углеродистые и легированные конструкционные стали (Ст3, 45, 40Х) и большинство инструментальных сталей держат близкие значения КТР, это одна из причин, почему сталь остаётся базовым материалом для сравнения при подборе сопрягаемых металлов. Высокохромистые инструментальные стали холодной обработки обычно лежат у нижней границы диапазона.

КТР α ≈ 11,5−12,5×10⁻⁶/К (20−100°C)

СВОДНАЯ ТАБЛИЦА

Все группы по возрастанию КТР

Группа материалов	КТР α, x10⁻⁶/К	Интервал
Инвар 36Н (прецизионный, внутри группы «Никель»)	≈1,2	20−100°C
Ковар 29НК (прецизионный, внутри группы «Никель»)	5,1−5,9	30−200°C
5. Титан	8,6−9,2	20−100°C
9. Нержавеющая сталь, ферритная/мартенситная	10,0−11,0	20−100°C
10. Стали конструкционные и инструментальные	11,5−12,5	20−100°C
4. Никель и монель (без прецизионных сплавов)	13,3−14,0	20−100°C
3. Бронзы	16,5−18,5	20−100°C
9. Нержавеющая сталь, аустенитная	17,0−17,3	20−100°C
1. Медь	≈17,0	20−100°C
2. Латуни	20,0−21,0	20−100°C
6. Алюминий	23,0−23,6	20−100°C
7. Магний	26,0−27,0	20−100°C
8. Цинк	27,0−29,0	20−100°C

ПРАКТИКА

Как это влияет на выбор материала

Сварка и пайка разнородных металлов

Чем больше разница КТР между двумя металлами шва, тем выше остаточные напряжения при остывании после сварки или пайки. Пара сталь-алюминий (разница КТР почти вдвое) требует переходников или сварки трением, прямой сварке плавлением такое сочетание не подходит.

Посадки с натягом и зазором

Бронзовая втулка на стальном валу, алюминиевый корпус со стальным подшипником: расчёт посадки при рабочей температуре обязан учитывать КТР обеих деталей отдельно, иначе узел заклинит при нагреве или ослабнет при охлаждении.

Спаи стекло-металл

Ковар и специальные сплавы подбираются так, чтобы их КТР совпадал с КТР конкретной марки стекла или керамики в рабочем диапазоне температур. Несовпадение даже на 1−2×10⁻⁶/К даёт трещины при термоциклировании вакуумного или электронного корпуса.

Точная механика и метрология

Инвар применяется там, где деталь должна сохранять размер при колебаниях температуры цеха: концевые меры длины, штативы геодезических приборов, эталонные оправки, части оптических систем.

ВОПРОСЫ

Частые вопросы про КТР

Почему КТР инвара почти нулевой, а у обычной стали в 10 раз выше

В сплаве железо-никель с долей никеля около 36% магнитное упорядочение атомов компенсирует обычное тепловое расширение решётки в узком диапазоне температур. Это и есть эффект инвара. У обычной углеродистой стали такого механизма нет, поэтому её КТР близок к типовому значению для металлов с объёмноцентрированной решёткой, около 11,5−12,5×10⁻⁶/К.

Какой аналог подобрать, если нужна марка с определённым КТР по другому стандарту

КТР у прямых аналогов по ГОСТ, EN, ASTM и другим системам обычно совпадает в пределах погрешности измерения, поскольку определяется составом и структурой сплава, а не системой обозначений. Таблицы соответствий марок по стандартам собраны в разделе Стандарты, а для точного подбора замены под конкретную задачу удобнее воспользоваться услугой подбора аналогов.

Меняется ли КТР при нагреве выше 100°C

Да, у большинства металлов КТР растёт с ростом среднего интервала измерения. Табличное значение для 20−100°C годится для оценки в этом диапазоне, для узлов, работающих при 300−500°C и выше, нужны данные для соответствующего интервала: расхождение может составлять 10−20% от значения при комнатной температуре.

Где посмотреть точный химический состав марок из этой таблицы

Химический состав, механические свойства и ГОСТы по конкретным маркам собраны в разделе Марки сплавов, а перечень действующих стандартов, на которые есть ссылки в этой статье, в разделе ГОСТы.

Почему аустенитная и ферритная нержавейка так по-разному расширяются

Разница в типе кристаллической решётки. У аустенитных марок (304, 316, 12Х18Н10Т) решётка гранецентрированная, атомы упакованы плотнее и подвижнее при нагреве, поэтому КТР выше, около 17×10⁻⁶/К. У ферритных и мартенситных марок (430, 12Х17) решётка объёмноцентрированная, как у обычной стали, и КТР ниже, около 10−11×10⁻⁶/К.

Нужен точный расчёт под конкретный узел

Пришлите чертёж или условия эксплуатации технологу AERIS. Подберём марку с нужным КТР, подтвердим совместимость пары металлов и предложим сертифицированный металлопрокат под задачу.