Lineaire uitzettingscoëfficiënt

In de zomer heb je vast wel eens gehoord van het uitzetten van de stalen spoorstaven of heb je opgemerkt dat in de winter de "dipjes" tussen de spoorstaven duidelijker zijn dan in de zomer.

Staal heeft de neiging om uit te zetten bij hogere temperaturen of juist te krimpen bij een een verlaging van de temperatuur. Dit wordt de uitzettingscoëfficiënt genoemd. In de metaalproductie en machinebouw is de thermische expansie onderdeel van de dagelijkse praktijk. Maar wat gebeurt er nou precies bij een temperatuurverschil en is deze waarde te berekenen?

Wat is lineaire uitzetting?

De lineaire uitzetting is het krimpen of uitzetten van een materiaal door een temperatuurverandering.

Door een temperatuurstijging krijgen atomen een grotere onderlinge afstand, hierdoor verandert de product lengte. Bij een temperatuurdaling vindt precies het tegenovergestelde plaats. Dit wordt de lineaire uitzettingscoëfficiënt genoemd en is te berekenen met een formule.

Δl = α * l * ΔT

Δl = de wijziging van de lengte

α = lineaire uitzettingscoëfficiënt

l = lengte

ΔT = temperatuurverschil

De uitzettingscoëfficiënt geeft een verandering in één richting. In het geval van vloeistoffen en gassen, is de uitzetting driedimensionaal. Dit betekent dat het materiaal in drie richtingen uitzet. De kubieke (driedimensionale) uitzettingscoëfficiënt (γ) is ongeveer gelijk aan 3 * α.

Element Uitzettingscoëfficiënt ( * 10⁻⁶ m/m/°K)
tussen 0°C en 100°C
Aluminium 23,0 ... 23,2
IJzer 11,0 ... 12,5
Staal 11,0 ... 12,0
RVS 14,0 ... 16,0
Invar 1,2 ... 1,7
Gietijzer 9,0 ... 10,0
Chroom 6,2
Goud 14,2
Koper 16,8
Wolfraam 4,5
Zilver 19,5
Zink 29
Vensterglas 7,6
Kwartsglas 0,5
Beton 11,5 ... 12,0
PVC
(kunststof - polyvinylchloride)
80
PC
(kunststof - polycarbonaat)
68
ABS
(kunststof - acrylonitril butadieen styreen)
120
Porselein 3
Lineaire uitzettingscoëfficiënt

This calculation tool has been programmed with the greatest possible care. However, we cannot be held liable for its correctness.

De eenheid van de lineaire uitzettingscoëfficiënt

De lineaire uitzetting wordt uitgedrukt in een waarde * 10⁻⁶ m/m/°K.

Dit houdt in dat er een bepaalde lengtetoename is per meter materiaal per toename van de temperatuur met 1°K (de toe- of afname in °K is gelijk aan de toe- of afname in °C, omschreven als Δ°K = Δ°C).

Voorbeeld:

Staal heeft, enigszins afhankelijk van de legering, een uitzettingscoëfficiënt van 12 * 10⁻⁶ m/m/°K.

Een stalen product van 1 m lang zal per °K dus 12 * 10⁻⁶ m (= 12 µm) in lengte toenemen. Bij een dalende temperatuur zal het materiaal krimpen (een negatieve lengteverandering betekent krimp).

LET OP!

Bij nauwkeurige toleranties moet rekening worden gehouden met de uitzetting. Een temperatuurwijziging van slechts 10 graden levert bij een lengte van 1 m staal al een verschil op van 0,12 mm!

Uitzetting in de productie

Bij sommige bewerkingen kan de temperatuur flink toenemen. Denk bijvoorbeeld aan laser-, plasma en autogeen snijden en lassen. Het staal zal in deze fase uitzetten en vervolgens weer krimpen. Door de juiste processen te kiezen kan eventuele uitval voorkomen worden. Bij nauwkeurig werk kan bijvoorbeeld gekozen worden voor snijden met een toegift en achteraf het product op maat te frezen.

Ontwerptemperatuur en gebruikstemperatuur

Doordat staal krimpt als het kouder wordt en uitzet als het warmer wordt, moet daar rekening mee gehouden worden. De ontwerptemperatuur wordt normaliter op 20°C gehouden omdat dat ook de temperatuur is waarbij normaliter geproduceerd wordt. Vanuit deze temperatuur wordt berekend welke toleranties toegepast moeten worden.

Voorbeeld:

Een brug heeft een lengte van 50 m en een ontwerptemperatuur van 20°C. Als de brug eenmaal in gebruik wordt genomen kan de temperatuur in de zomer oplopen tot +60°C, door het zwarte wegdek in de volle zon, en kan in een strenge winter zakken tot -15°C.

Het lengteverschil tussen zomer en winter is dan 12 * 10⁻⁶ m/m/°K (uitzettingscoëfficiënt) * 50 m (lengte) * 75°K (temperatuurverschil) = 45.000 µm ofwel 45 mm.

De brug kan t.o.v. de ontwerptemperatuur (20°C) in de zomer 24 mm uitzetten en in de winter krimpen met 21 mm. Bij een verkeerd ontwerp kan de brug in de zomer gaan klemmen, met alle gevolgen van dien, of in de winter zelfs te weinig opleg krijgen op de steunvlakken. Door in de ontwerpfase rekening te houden met de uitzettingscoëfficiënt kan dit voorkomen te worden.

Een praktijkvoorbeeld:

Een stalen spoorstaaf van 18 m koelt in de winter af tot -10°C en warmt in de zomer op tot +40°C. Een totaalverschil dus van 50°C.

Het lengteverschil tussen zomer en winter is dan 12 * 10⁻⁶ m/m/°K (uitzettingscoëfficiënt) * 18 m (lengte) * 50°K (temperatuurverschil) = 10.800 µm ofwel 10,8 mm. Op een traject van 30 km ontstaat er tussen de zomer en de winter een lengteverschil van 18.000 mm ofwel 18 meter!

Meer informatie over:

See also

Buigkracht berekenen

Bereken de kracht die nodig is om een plaat te buigen bijvoorbeeld m.b.v. een kantbank.

Read more
Gat-afstand berekenen

Bereken eenvoudig en snel de minimale afstand van de rand van gaten tot aan de zetlijn om vervorming te voorkomen.

Read more
Legeringselementen in staal

Door legeringselementen aan staal toe te voegen zijn de eigenschappen te beïnvloeden.

Read more

Wij gebruiken cookies op onze website. Sommige zijn essentieel, terwijl andere ons helpen om onze online diensten te verbeteren.

U kunt direct instemmen met het gebruik van alle cookies of op de knop "Manage" klikken om het gebruik van cookies toe te staan of te weigeren.