Strona główna / Wiki / Tabele referencyjne / Współczynniki rozszerzalności termicznej materiałów CNC

Współczynniki rozszerzalności termicznej materiałów CNC

CTE dla 22 materiałów CNC w µm/m·°C wraz z zakresem temperatur pokrywanym przez każdą wartość oraz przykłady obliczeniowe, co te różnice robią pasowaniom i kontroli.

Współczynnik rozszerzalności termicznej (CTE) według materiału i zakresu temperatur

Materiał (gatunek)CTE (µm/m·°C)Zakres temperaturZnaczenie inżynierskieŹródło
Aluminum 1060 (commercially pure)23.620–100 °CNajwyższy CTE wśród popularnych metali CNC; projekty szyn zbiorczych i radiatorów muszą przewidzieć szczeliny rozszerzalnościASM Handbook Vol. 2 via matmake.com
Aluminum 6061-T623.620–100 °CNajczęściej obrabiany stop aluminium; CTE nie zależy od stanu (O, T4, T6 i T651 — wszystkie 23.6)ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J
Aluminum 6061-T624.620–200 °CŚrednia w podwyższonej temperaturze rośnie ~4%; powyżej 150 °C użyj CTE właściwego dla zakresuMIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2
Aluminum 7075-T623.620–100 °CStop lotniczy; ten sam CTE co 6061 mimo dwukrotnie wyższej granicy plastyczności — upraszcza projektowanie oprzyrządowania ze stopów mieszanychmatmake.com; arcuscnc.com
Copper C11000 (ETP)17.020–100 °CMateriał szyn zbiorczych i złączy; niezgodność CTE z aluminium (23.6) powoduje zmęczenie złączy w końcówkach bimetalicznychfabdigit.com (C11000-O properties)
Copper C11000 (ETP)17.020–300 °CŚredni CTE w szerokim zakresie; wartość z karty katalogowej producentajtcopper.com C11000 datasheet
Brass C36000 (free-cutting)20.520–100 °C (approx.)Stop miedzi o najwyższej obrabialności; CTE między miedzią a aluminium — istotny dla wkładek mosiężnych w obudowach aluminiowychmechcodex.com C36000 thermal table
Carbon steel AISI 1045 (annealed)11.60–100 °CPodstawowa stal wałów i kół zębatych; CTE około połowy aluminium — połączenia śrubowe aluminium–stal dają 0.12 mm różnicy na każde 100 mm przy ΔT = 100 °Ctheworldmaterial.com AISI 1045 physical properties
Carbon steel AISI 1045 (annealed)12.30–200 °CŚrednia w podwyższonej temperaturze; rośnie wraz z zakresem temperaturtheworldmaterial.com AISI 1045
Alloy steel AISI 4140 (normalized)12.320–100 °CStal o wysokiej wytrzymałości na wały i osie; CTE podobny do 1045 — wymienny w obliczeniach naprężeń termicznychASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com
Stainless steel 304/304L17.30–100 °CAustenityczna nierdzewna rozszerza się ~44% bardziej niż stal węglowa; krytyczne dla połączeń rura–tarcza w wymiennikach ciepłajnalloys.com CTE comparison table
Stainless steel 316/316L15.90–100 °CNiższy CTE niż 304 mimo podobnej struktury austenitycznej (dodatek molibdenu); preferowany przy projektowaniu kompensacji rurociągów morskichjnalloys.com CTE comparison table
Stainless steel 17-4PH (H900)10.80–100 °CMartenzytyczna stal PH; CTE najbliższy stali węglowej wśród nierdzewnych — idealna do precyzyjnych złącz lotniczych współpracujących ze strukturami stalowymixometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C)
Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)8.620–100 °CNajniższy CTE wśród popularnych metali konstrukcyjnych; dobre dopasowanie do CFRP (0–2) w hybrydowych połączeniach lotniczycharcuscnc.com CTE comparison
Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)8.820–100 °C (approx.)Alternatywna wartość publikowana; różnica mieści się w niepewności pomiaru (±2%)mechcodex.com Ti-6Al-4V properties
Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC)11.720–100 °CStal na bloki form; CTE musi odpowiadać stalom wkładek, by uniknąć pęknięć od naprężeń termicznych w formach wtryskowych podczas cykli termicznychASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context)
Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC)12.020–200 °CStal na matryce do odlewania ciśnieniowego i kucia; pracuje przy 500–650 °C temperatury powierzchni, więc CTE w podwyższonym zakresie ma znaczenie dla pasowań wkładek matrycyASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com
Delrin / POM (acetal homopolymer)11023–60 °COkoło 5× stal; wciski tworzywo–metal luzują się wraz ze wzrostem temperatury — projektuj zakłócenie przy maksymalnej temperaturze pracyfirstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet
Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded)8023–60 °CAbsorpcja wilgoci dodaje rozszerzalność higroskopijną ponad składnik termiczny; 50% RH podnosi efektywną zmianę wymiaru o ~0.2%DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21
PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G)4723–100 °CNajniższy CTE wśród nieumocnionych tworzyw inżynieryjnych; zbliża się do aluminium w podwyższonej temperaturze — realny zamiennik metalu w środowiskach z cyklami termicznymimakerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55)
PEEK (30% glass-filled, GF30)2723–100 °CUmocnienie szkłem obniża CTE ~43%; wybierane, gdy stabilność wymiarowa podczas cykli termicznych jest krytycznamakerstage.com PEEK grade comparison (Victrex)
ABS (general purpose, unfilled)9023–60 °CWysoki CTE ogranicza zastosowanie w zespołach precyzyjnych; akceptowalny dla obudów konsumenckich z hojnym luzemfirstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets
Jak czytać tę tabelę. Tam, gdzie dwa źródła się różnią, wymienione są oba wiersze (Ti-6Al-4V pojawia się przy 8.6 i 8.8). Zakresy temperatur przytoczono tak, jak opublikowano, i nie normalizuje się ich do jednego przedziału — zawsze używaj wiersza CTE, którego zakres obejmuje Twój rzeczywisty przedział temperatur.

Kiedy różnica staje się wymiarem

Pięć obliczeń z praktyki, każde według ΔL = α × L × ΔT z wartościami z powyższej tabeli. To powód, dla którego dwa materiały o różnych CTE nie mogą być traktowane jako wymienne w zespole precyzyjnym.

PrzypadekObliczenieWynikOdpowiedź konstrukcyjna
Obudowa 6061-T6 (CTE 23.6) przykręcona do podstawy ze stali 1045 (CTE 11.6), rozstaw otworów 200 mm, ΔT = 50 °CΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 500.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differentialPrzy zaledwie 0.1 mm luzu śruby złącze się zaklinowuje przy ΔT = 50 °C. Użyj otworów podłużnych, luzu ≥ 0.3 mm lub podkładek elastycznych; dla oprzyrządowania precyzyjnego łącz aluminium z aluminium albo stal ze stalą.
Konstrukcja stalowa (CTE 12.0) przykręcona bezpośrednio do panelu CFRP (CTE ~1.0 w kierunku włókien), rozpiętość 300 mm, ΔT = 80 °C(12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 800.264 mm relative slip per cycleWkładka Ti-6Al-4V (CTE 8.6) zmniejsza niezgodność do 7.6 µm/m·°C po obu stronach i redukuje ruch różnicowy o ~30% — dlatego w lotniczych połączeniach kompozytowych dominują wkładki tytanowe.
Tuleja Delrin (CTE 110) wciśnięta w obudowę stalową (CTE 11.6): OD 25 mm, zakłócenie 0.05 mm przy 20 °C, praca przy 80 °CΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 600.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance)Przy 80 °C wcisk staje się pasowaniem poślizgowym. Oblicz zakłócenie przy maksymalnej temperaturze pracy, zatrzymaj POM mechanicznie (pierścienie osadcze, radełkowanie) albo zmień na PEEK (CTE 47) lub PEEK ze szkłem (CTE 27).
Detal 6061 o długości 500 mm obrabiany przy 30 °C w warsztacie, sprawdzany przy 20 °C (temperatura odniesienia ISO 1)23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 100.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °CDla prac ±0.05 mm ten błąd to 2.4× pasmo tolerancji: wygrzej detale do 20 °C ± 1 °C przed ostateczną kontrolą albo zastosuj kompensację w procesie.
Blok formy P20 (CTE 11.7) z wkładką rdzenia H13 (CTE 12.0), średnica wkładki 100 mm, ΔT = 60 °C, zaprojektowany luz 0.02 mm12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 600.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mmP20 z H13 jest termicznie zgodne (niezgodność 0.3 µm/m·°C). Wkładka ze stopu miedzi z berylem (CTE 16.6) względem P20 traci 0.029 mm luzu przy tym samym ΔT — projektuj wkładki BeCu z zapasem na wzrost.

Jak korzystać z tych liczb

  • CTE tutaj to µm/(m·°C), równe 10⁻⁶/K lub ppm/°C. Wybierz wiersz, którego zakres temperatur odpowiada zastosowaniu — ten sam stop publikuje różne średnie dla różnych zakresów (6061: 23.6 dla 20–100 °C, 24.6 dla 20–200 °C).
  • Obróbka cieplna nie zmienia CTE aluminium: 6061 pokazuje 23.6 µm/m·°C w każdym stanie (O, T4, T6, T651). Tylko zakres temperatur zmienia wartość efektywną.
  • Tam, gdzie źródła się różnią, zachowano obie wartości: Ti-6Al-4V pojawia się przy 8.6 i 8.8 µm/m·°C — rozstrzał w typowej niepewności pomiaru (±2%). Dla nierdzewnej 304 przyjmujemy 17.3 — jedna tabela kalkulatora podaje 10.8, co jest wartością 17-4PH i błędem wpisania danych.
  • CTE tworzyw mocno zależy od wypełniacza, krystaliczności i wilgoci. Wiersz Nylonu 6/6 dotyczy stanu suchego po formowaniu (80); przy równowadze 50% RH efektywna zmiana wymiaru rośnie o ~0.2% ponad składnik termiczny.
  • Pułapka kontrolna: detale rosną z ciepłem skrawania i kurczą się na maszynie współrzędnościowej (CMM). Detal 6061 o długości 300 mm ścięty przy 40 °C kurczy się o 0.14 mm do czasu osiągnięcia 20 °C — mierz po wygrzaniu termicznym albo wpisz przesunięcie w tolerancję.

Najczęściej zadawane pytania

O ile wydłuża się pręt aluminiowy 6061 o długości 200 mm od 20 °C do 60 °C?
Około 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
Dlaczego moje detale aluminiowe mierzą za mało po obróbce CNC?
Kurczenie termiczne od ciepła skrawania. Detal 6061 o długości 300 mm ścięty przy 40 °C kurczy się o 0.14 mm do 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Wygrzej detal do 20 °C przed ostatecznym pomiarem.
Jaka jest różnica CTE między aluminium a nierdzewną 304?
6.3 µm/m·°C (23.6 vs 17.3). Na 100 mm przy ΔT = 50 °C to 0.032 mm ruchu różnicowego.
Czy mogę wcisnąć tuleję Delrin w obudowę stalową dla zastosowania przy 80 °C?
Nie na samym zakłóceniu. CTE POM (110) to 9.5× stali (11.6): zakłócenie 0.05 mm przy 20 °C na średnicy 25 mm zamienia się w luz około 50 °C. Zastosuj zatrzymanie mechaniczne albo zmień na PEEK ze szkłem (CTE 27).
Jaki metal ma najmniejszą rozszerzalność termiczną do oprzyrządowania precyzyjnego?
Tytan Ti-6Al-4V przy 8.6 µm/m·°C — mniej niż każda popularna stal (11.6–12.3) i mniej niż połowa aluminium (23.6). Dla konstrukcji o ultraniskiej rozszerzalności opcją skrajną jest Invar (FeNi36) przy 1.2 µm/m·°C, ale kosztuje 10–20× więcej.
O ile rozszerza się belka stalowa o długości 1 metra przy wzroście o 40 °C?
Około 0.46 mm dla stali węglowej 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Dla nierdzewnej 304: 0.69 mm — dlatego długie konstrukcje potrzebują dylatacji.
Czy obróbka cieplna (T6 vs T4) zmienia CTE aluminium 6061?
Nie. CTE wynosi 23.6 µm/m·°C w każdym stanie (O, T4, T6, T651). Wyznacza go sieć aluminium, nie populacja wydzieleń; tylko zakres temperatur zmienia wartość efektywną.
Jaki CTE przyjąć dla PEEK w wyrobie medycznym w temperaturze ciała?
Przyjmij 47 µm/m·°C (nieumocniony, zakres 23–100 °C). Przy ΔT = 17 °C (20 → 37 °C) element 50 mm rośnie tylko o 0.040 mm — wewnątrz typowej tolerancji obróbkowej ±0.025 mm, jeśli mierzony przy 20 °C.

Normy i źródła

  • ASM Handbook Vol. 2, wyd. 10 (1990) — wartości CTE stopów aluminium i niezależność od stanu
  • MIL-HDBK-5J (U.S. DoD, 2003) — CTE 6061 zależny od temperatury (20–100/200/300/400 °C)
  • ASM Handbook Vol. 1 — AISI 4140 = 12.3; P20 = 11.7; H13 = 12.0 µm/m·°C
  • Karty katalogowe DuPont Delrin 500P i Zytel 101L — POM 110 µm/m·°C (23–60 °C), Nylon 6/6 80 µm/m·°C (stan suchy po formowaniu)
  • Dane Victrex PEEK via makerstage.com — nieumocniony 47, GF30 27 µm/m·°C; criterionprecision.com podaje 45–55
  • Porównanie CTE jnalloys.com — 304/304L = 17.3, 316/316L = 15.9 µm/m·K (0–100 °C)
  • xometry.com i alloy-materials.com — 17-4PH = 10.8 µm/m·°C (20–100 °C)
  • arcuscnc.com — Ti-6Al-4V = 8.6; matmake.com (dane ASM) — tabela stopów aluminium; mechcodex.com — C36000 = 20.5, Ti-6Al-4V = 8.8
  • theworldmaterial.com — AISI 1045 = 11.6 (0–100 °C) i 12.3 (0–200 °C); fabdigit.com — C11000 = 17 (20–100 °C); jtcopper.com — C11000 = 17.0 (20–300 °C)
  • Tam, gdzie źródła są sprzeczne, wymieniono oba wiersze, a rozbieżność udokumentowano w notach stosowania

Powiązane strony

Pobierz tę tabelę