Mengapa Logam Memanjang Saat Dipanaskan?
Sebagian besar logam memuai ketika dipanaskan karena atom-atomnya bergetar lebih banyak dan jarak rata-rata antar atom meningkat . Perubahan kecil tersebut akan terakumulasi di seluruh bagian logam. Atom-atom tersebut tidak hanya membesar. Seberapa besar logam tersebut membesar bergantung pada paduannya, ukuran awal, dan perubahan suhu—serta apakah logam tersebut bebas bergerak.
Apa yang berubah di antara atom-atom tersebut?
Dalam logam padat, atom-atom bergetar di sekitar posisi dalam kisi kristal: susunan atom yang teratur. Pemanasan meningkatkan energi gerakan tersebut. Gaya antar atom yang berdekatan lebih kuat menahan dorongan agar atom-atom tersebut saling mendekat dibandingkan dengan gaya yang menahan peningkatan jarak yang moderat.
Ketidakseimbangan itu menggeser jarak rata-rata mereka ke luar seiring bertambahnya getaran. Para fisikawan menyebut ini sebagai anharmonisitas . Getaran yang lebih besar saja bukanlah penjelasan lengkap: model pegas yang simetris sempurna akan memungkinkan lebih banyak gerakan tanpa mengubah jarak rata-rata.
Sketsa tersebut menunjukkan posisi rata-rata. Perubahan tersebut dilebih-lebihkan agar terlihat; pemuaian termal biasa tidak memerlukan logam untuk meleleh.
Lingkaran penuh mewakili atom pada posisi rata-ratanya. Lingkaran putus-putus menunjukkan getaran secara skematis, bukan ukuran atom. Kedua gambar menggunakan diameter atom yang sama.
Mekanisme: Penjelasan ekspansi termal Princeton dan model atomistik MIT.
Seberapa besar bagian logam akan memuai?
Untuk bagian yang dipanaskan secara merata dan bergerak bebas, perkirakan perubahan panjang atau diameter dengan koefisien ekspansi termal linier rata-rata, yang biasanya disingkat menjadi CTE.
L₀ adalah dimensi pada suhu awal T₀; L₁ adalah dimensi pada T₁. Gunakan koefisien rata-rata ᾱ yang sesuai untuk interval suhu tersebut.
Koefisien ekspansi termal (CTE) sebesar 12 µm/(m·K) berarti kira-kira 12 mikrometer pertumbuhan per meter panjang untuk setiap kenaikan suhu dalam kelvin. Dalam rumus, masukkan sebagai 12 × 10⁻⁶ K⁻¹ . Perbedaan suhu memiliki nilai numerik yang sama dalam kelvin dan derajat Celsius.
Dua kali lebih panjang. Dengan paduan dan perubahan suhu yang sama, bagian yang dua kali lebih panjang memiliki pertumbuhan bebas dua kali lipat.
Pendinginan membalikkan tandanya. Untuk CTE positif, suhu akhir yang lebih rendah menghasilkan ΔL negatif: kontraksi.
Jaga konsistensi satuan. Panjang dalam milimeter memberikan ΔL dalam milimeter. Ubah perbedaan °F ke kelvin dengan membagi dengan 1.8.
Contoh soal: sebuah elemen baja sepanjang 10 m
Misalkan kenaikan seragam dari 20°C hingga 100°C , tanpa hambatan dan koefisien ekspansi termal (CTE) ilustratif konstan sebesar 12 µm/(m·K) . Maka ΔT = 80 K:
= 0.0096 m = 9.6 mm
Panjang akhirnya adalah 10.0096 m . Ini adalah perhitungan asumsi, bukan hasil pengukuran atau sifat bersertifikat untuk setiap jenis baja. Perhitungan ini juga tidak menentukan di mana pergerakan tersebut terjadi dalam rakitan yang terpasang.
Rumus dan koefisien baja representatif: OpenStax, Ekspansi Termal.
Bagaimana paduan dan rentang suhu memengaruhi CTE (koefisien ekspansi termal)?
Ikatan atom dan struktur paduan yang berbeda menghasilkan perilaku pemuaian yang berbeda. Nilai yang hanya diberi label "logam" atau "baja tahan karat" terlalu samar untuk perhitungan celah yang ketat. Bahkan jenis yang sama dapat memiliki nilai CTE yang dilaporkan berbeda karena interval suhu yang berbeda.
| Materi dalam sumber | CTE linier rata-rata µm/(m·K) | Interval suhu | Cara menggunakan nilai tersebut |
|---|---|---|---|
| Aluminium 6061 Data tabung dan pipa Kaiser | 23.6 | 20 – 100 ° C | Nilai paduan tipikal; entri CTE tidak dipisahkan berdasarkan perlakuan panas. |
| 304 stainless steel Data Atlas yang dianil | 17.2 | 0 – 100 ° C | Nilai rata-rata tipikal untuk interval yang disebutkan. |
| 304 stainless steel Lembar data yang sama | 18.4 | 0 – 538 ° C | Nilai rata-rata pada interval yang lebih luas, bukan nilai CTE sesaat pada suhu 538°C. |
Pada layar yang sempit, geser tabel ke samping untuk melihat kondisinya.
Data: Lembar data Kaiser 6061, sifat fisik ; Lembar data Atlas 304, sifat anil tipikal . Ini adalah nilai referensi tipikal, bukan sertifikat uji spesifik lot.
Angka-angka tersebut menunjukkan mengapa aluminium 6061 umumnya mengalami pemuaian lebih besar daripada baja tahan karat 304 di dekat suhu lingkungan. Interval sumbernya tidak identik, jadi gunakan data interval yang sesuai ketika perbedaan kecil akan menentukan kesesuaian atau penerimaan.
Paduan dengan ekspansi rendah merupakan kasus khusus. Invar 36 dirancang untuk ekspansi rendah di dekat suhu ruangan, tetapi koefisien ekspansi termalnya (CTE) meningkat seiring dengan peningkatan rentang suhu. Ini bukan material dengan ekspansi nol pada setiap suhu. Lihat data Invar 36 dari Carpenter.
Koefisien ekspansi termal (CTE) dan konduktivitas termal menjawab pertanyaan yang berbeda. CTE menggambarkan respons dimensi terhadap suhu. Konduktivitas termal menggambarkan aliran panas melalui material. Konduktivitas dapat memengaruhi seberapa cepat dan merata suatu bagian memanas; ini bukan koefisien yang harus dimasukkan ke dalam rumus ekspansi.
Kalkulator ekspansi termal
Perkirakan perubahan bebas pada panjang atau diameter. Masukkan CTE rata-rata untuk paduan dan interval suhu Anda. Contoh awal menggunakan nilai baja yang diasumsikan sebesar 12 µm/(m·K); ubah nilai tersebut jika data material Anda memerlukan nilai yang berbeda.
Perubahan dimensi
Masukkan nilai yang valid untuk dihitung.
Dimensi akhir
Perubahan suhu
Regangan termal
Model: suhu seragam, pergerakan bebas dan regangan kecil, dengan CTE rata-rata yang valid pada interval yang dimasukkan. Hasil tidak memprediksi tegangan, tekuk, distorsi las, peleburan, atau perilaku perubahan fasa. Angka yang ditampilkan adalah detail perhitungan, bukan akurasi material.
Apakah lubang akan membesar ketika logam dipanaskan?
Ya—jika pelat dipanaskan secara merata, memuai secara sama di setiap arah dan bebas bergerak. Dimensi bagian dalam dan luarnya bertambah bersamaan. Material tersebut tidak hanya memuai ke dalam untuk mengisi lubang.
Cara geometris untuk memeriksa hal ini adalah dengan menerapkan satu faktor skala pada seluruh pelat. Jika setiap jarak dari pusat dikalikan dengan 1 + ᾱΔT, baik tepi luar maupun tepi lubang akan bergerak ke luar. Diameter lubang mengikuti rumus ekspansi linier yang sama.
Contoh: lubang aluminium 100 mm
Menggunakan 23.6 µm/(m·K) untuk bagian 6061 yang dipanaskan secara seragam dari 20°C hingga 100°C :
= 0.1888 mm
Diameter lubang yang dihitung adalah 100.1888 mm . Untuk perakitan, hitung juga perubahan poros pasangannya. Memanaskan kedua bagian tidak menjamin bahwa celah akan meningkat.
Bagaimana jika logam tersebut tidak dapat memuai dengan bebas?
Mencegah pergerakan termal akan menimbulkan tegangan. Untuk batang elastis lurus yang awalnya bebas tegangan dengan kedua ujungnya terpasang sempurna, pemanasan seragam dengan CTE positif akan menghasilkan kompresi aksial. Dengan asumsi ideal tersebut, besarnya kira-kira EαΔT , di mana E adalah modulus Young.
Pengekangan mengubah gerakan menjadi beban.
Untuk nilai asumsi E = 200 GPa, α = 12 × 10⁻⁶ K⁻¹ dan ΔT = 50 K, tegangan tekan ideal adalah 120 MPa . Ini adalah perhitungan elastis ilustratif, bukan tegangan yang diizinkan atau prediksi untuk perlengkapan sebenarnya.
Fleksibilitas penopang, slip, luluh, dan tekuk mengubah respons. Suatu komponen dapat berhenti mengikuti model elastis sederhana sebelum tegangan yang dihitung tercapai.
Perubahan pertumbuhan yang berbeda menyesuaikan dan persendian.
Dua material yang saling terhubung mungkin ingin memuai dengan jumlah yang berbeda. Gradien suhu juga dapat menyebabkan satu bagian dari komponen tunggal memuai lebih banyak daripada bagian lainnya. Kedua kondisi tersebut dapat menyebabkan pembengkokan atau tegangan internal.
Periksa dimensi mana yang diizinkan untuk bergerak, di mana pergerakan dibatasi, dan bagaimana suhu bervariasi. Slot, celah, atau penyangga yang lentur harus mengikuti jalur pergerakan tersebut dan persyaratan beban rakitan.
Dasar: MIT, hubungan regangan termoelastis . Untuk kasus aksial ideal, total perpanjangan nol mengharuskan regangan elastis untuk meniadakan αΔT. Contoh numerik menggunakan asumsi yang dinyatakan di sini.
Bagaimana Anda seharusnya memperhitungkan ekspansi di sektor manufaktur?
Ukur pada suhu yang diketahui
Suatu bagian yang panas dapat memiliki dimensi yang tepat untuk suhu saat ini, namun terbaca di luar toleransi gambar yang mengacu pada suhu lain. Panduan metrologi dimensi NIST menetapkan 20°C sebagai referensi standar kecuali jika suhu lain ditentukan.
Sebagai contoh skala yang dihitung, bagian berukuran 100 mm dengan asumsi α = 12 µm/(m·K) berubah sebesar 6 µm dalam rentang 5 K. Hal ini relevan dengan toleransi tingkat mikrometer meskipun bagian tersebut tidak terasa terlalu panas.
Biarkan benda kerja dan peralatan pengukuran stabil. Jika pengukuran dilakukan di luar suhu referensi, perhitungkan suhu dan perilaku pemuaiannya, termasuk ketidakpastian pada CTE (koefisien ekspansi termal). Suhu udara saja mungkin tidak mewakili bagian yang baru saja dikerjakan.
Jika ketidakpastian CTE mendominasi pengambilan keputusan, gunakan data spesifik material atau pengukuran yang sesuai. ASTM E228-22 mencakup ekspansi linier benda padat kaku yang diukur dengan dilatometer batang dorong; standar ini tidak menggantikan analisis tegangan termal pada rakitan.
Perlakukan pengelasan sebagai siklus termal lokal.
Pengelasan memanaskan area kecil sementara sebagian besar material di sekitarnya tetap lebih dingin. Struktur yang lebih dingin menahan area panas tersebut. Saat sambungan mendingin, penyusutan dan deformasi plastis dapat meninggalkan tegangan sisa dan distorsi permanen.
Itulah mengapa mengalikan panjang keseluruhan bagian dengan satu suhu pengelasan puncak tidak dapat memprediksi kelengkungan atau penyusutan akhirnya. Bentuk sambungan, distribusi suhu, respons material, urutan pengelasan, dan pengekangan semuanya penting. TWI menjelaskan mekanisme distorsi ini.
Untuk pengelasan laser, nilai sambungan dan siklus termal yang sebenarnya. Gunakan kalkulator masukan panas pengelasan untuk membandingkan energi per satuan panjang, lalu periksa panduan HAZ pengelasan laser untuk perubahan material di dekat lasan. Konfirmasikan hasil dimensi pada bagian representatif setelah pendinginan.
Akankah kembali ke ukuran semula? Ekspansi reversibel biasa akan kembali ke dimensi awal ketika suhu awal dipulihkan. Deformasi plastis, creep, atau perubahan struktur material dapat meninggalkan perubahan dimensi permanen. Oleh karena itu, siklus pemanasan atau pengelasan yang lengkap memerlukan pengukuran bagian yang telah didinginkan.
Bagikan informasi mengenai paduan logam, ketebalan, gambar sambungan, dan dimensi yang harus tetap terjaga setelah pendinginan kepada Oceanplayer Laser.
Referensi teknis
- Princeton: ekspansi termal — jarak antar atom dan anharmonisitas.
- MIT: model ekspansi termal — potensial antaratom asimetris.
- OpenStax: ekspansi termal — ekspansi linier dan koefisien baja representatif.
- MIT: efek termoelastis — regangan termal dan hubungannya dengan tegangan elastis.
- Kaiser Aluminum: Tabung dan pipa 6061 — sifat fisik tipikal pada suhu 20–100°C.
- Atlas Steels: Lembar data 304 — rata-rata CTE pada interval suhu yang berbeda.
- Teknologi Carpenter: Invar 36 — perilaku ekspansi rendah yang bergantung pada suhu.
- NIST: Kotak Peralatan Metrologi Teknik — Suhu referensi dimensional dan ketidakpastian CTE.
- ASTM E228-22 — cakupan publik dari dilatometri batang dorong.
- TWI: apa penyebab distorsi? — pengekangan, kontraksi pendinginan, dan deformasi plastis dalam pengelasan.