{ "slug": "thermal-expansion-coefficients", "title": "Коэффициенты теплового расширения материалов ЧПУ (CTE)", "description": "CTE для 22 материалов ЧПУ в µm/m·°C с температурным диапазоном каждой величины, а также практические примеры того, что различия делают с посадками и контролем.", "lang": "ru", "tables": [ { "caption": "Коэффициент теплового расширения (CTE) по материалам и температурным диапазонам", "columns": [ "Материал (марка)", "CTE (µm/m·°C)", "Температурный диапазон", "Инженерное значение", "Источник" ], "rows": [ { "Материал (марка)": "Aluminum 1060 (commercially pure)", "CTE (µm/m·°C)": "23.6", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Наивысший CTE среди распространенных металлов ЧПУ; конструкции шин и радиаторов должны предусматривать зазоры на расширение", "Источник": "ASM Handbook Vol. 2 via matmake.com" }, { "Материал (марка)": "Aluminum 6061-T6", "CTE (µm/m·°C)": "23.6", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Наиболее часто обрабатываемый алюминиевый сплав; CTE не зависит от термообработки (O, T4, T6 и T651 — все 23.6)", "Источник": "ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J" }, { "Материал (марка)": "Aluminum 6061-T6", "CTE (µm/m·°C)": "24.6", "Температурный диапазон": "20–200 °C", "Инженерное значение": "Средняя при повышенной температуре растет на ~4%; выше 150 °C используйте CTE, привязанный к диапазону", "Источник": "MIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2" }, { "Материал (марка)": "Aluminum 7075-T6", "CTE (µm/m·°C)": "23.6", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Авиационный сплав; тот же CTE, что у 6061, при вдвое большем пределе текучести — упрощает проектирование приспособлений из смешанных сплавов", "Источник": "matmake.com; arcuscnc.com" }, { "Материал (марка)": "Copper C11000 (ETP)", "CTE (µm/m·°C)": "17.0", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Материал шин и разъемов; несовпадение CTE с алюминием (23.6) вызывает усталость соединения в биметаллических наконечниках", "Источник": "fabdigit.com (C11000-O properties)" }, { "Материал (марка)": "Copper C11000 (ETP)", "CTE (µm/m·°C)": "17.0", "Температурный диапазон": "20–300 °C", "Инженерное значение": "Средний CTE в широком диапазоне; значение из спецификации производителя", "Источник": "jtcopper.com C11000 datasheet" }, { "Материал (марка)": "Brass C36000 (free-cutting)", "CTE (µm/m·°C)": "20.5", "Температурный диапазон": "20–100 °C (approx.)", "Инженерное значение": "Медный сплав с наивысшей обрабатываемостью; CTE между медью и алюминием — важно для латунных вставок в алюминиевых корпусах", "Источник": "mechcodex.com C36000 thermal table" }, { "Материал (марка)": "Carbon steel AISI 1045 (annealed)", "CTE (µm/m·°C)": "11.6", "Температурный диапазон": "0–100 °C", "Инженерное значение": "Базовая сталь валов и зубчатых колес; CTE примерно вдвое меньше алюминия — болтовые соединения алюминий–сталь дают 0.12 mm разности на каждые 100 mm при ΔT = 100 °C", "Источник": "theworldmaterial.com AISI 1045 physical properties" }, { "Материал (марка)": "Carbon steel AISI 1045 (annealed)", "CTE (µm/m·°C)": "12.3", "Температурный диапазон": "0–200 °C", "Инженерное значение": "Средняя при повышенной температуре; растет с температурным диапазоном", "Источник": "theworldmaterial.com AISI 1045" }, { "Материал (марка)": "Alloy steel AISI 4140 (normalized)", "CTE (µm/m·°C)": "12.3", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Высокопрочная сталь валов и осей; CTE близок к 1045 — взаимозаменяем в расчетах термических напряжений", "Источник": "ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com" }, { "Материал (марка)": "Stainless steel 304/304L", "CTE (µm/m·°C)": "17.3", "Температурный диапазон": "0–100 °C", "Инженерное значение": "Аустенитная нержавейка расширяется на ~44% больше углеродистой стали; критично для соединений труба–трубная решетка теплообменников", "Источник": "jnalloys.com CTE comparison table" }, { "Материал (марка)": "Stainless steel 316/316L", "CTE (µm/m·°C)": "15.9", "Температурный диапазон": "0–100 °C", "Инженерное значение": "CTE ниже, чем у 304, несмотря на похожую аустенитную структуру (добавка молибдена); предпочтительна для проектирования компенсации судовых трубопроводов", "Источник": "jnalloys.com CTE comparison table" }, { "Материал (марка)": "Stainless steel 17-4PH (H900)", "CTE (µm/m·°C)": "10.8", "Температурный диапазон": "0–100 °C", "Инженерное значение": "Мартенситная PH-сталь; CTE ближе всего к углеродистой стали среди нержавеющих — идеальна для прецизионных авиационных фитингов, сопрягаемых со стальными конструкциями", "Источник": "xometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C)" }, { "Материал (марка)": "Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)", "CTE (µm/m·°C)": "8.6", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Наименьший CTE среди распространенных конструкционных металлов; хорошо сочетается с CFRP (0–2) в гибридных авиационных соединениях", "Источник": "arcuscnc.com CTE comparison" }, { "Материал (марка)": "Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)", "CTE (µm/m·°C)": "8.8", "Температурный диапазон": "20–100 °C (approx.)", "Инженерное значение": "Альтернативное опубликованное значение; разница лежит в пределах неопределенности измерения (±2%)", "Источник": "mechcodex.com Ti-6Al-4V properties" }, { "Материал (марка)": "Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC)", "CTE (µm/m·°C)": "11.7", "Температурный диапазон": "20–100 °C", "Инженерное значение": "Сталь плит пресс-форм; CTE должен соответствовать сталям вставок, чтобы избежать трещин от термических напряжений в литьевых формах при термоциклировании", "Источник": "ASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context)" }, { "Материал (марка)": "Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC)", "CTE (µm/m·°C)": "12.0", "Температурный диапазон": "20–200 °C", "Инженерное значение": "Сталь матриц для литья под давлением и ковки; работает при температуре поверхности 500–650 °C, поэтому CTE повышенного диапазона важен для посадок вставок матрицы", "Источник": "ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com" }, { "Материал (марка)": "Delrin / POM (acetal homopolymer)", "CTE (µm/m·°C)": "110", "Температурный диапазон": "23–60 °C", "Инженерное значение": "Около 5× стали; посадки пластик–металл с натягом ослабевают с ростом температуры — задавайте натяг при максимальной рабочей температуре", "Источник": "firstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet" }, { "Материал (марка)": "Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded)", "CTE (µm/m·°C)": "80", "Температурный диапазон": "23–60 °C", "Инженерное значение": "Влагопоглощение добавляет гигроскопическое расширение сверх теплового слагаемого; 50% RH повышает эффективное изменение размера на ~0.2%", "Источник": "DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21" }, { "Материал (марка)": "PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G)", "CTE (µm/m·°C)": "47", "Температурный диапазон": "23–100 °C", "Инженерное значение": "Наименьший CTE среди ненаполненных инженерных пластиков; приближается к алюминию при повышенной температуре — пригоден для замены металла в средах с термоциклированием", "Источник": "makerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55)" }, { "Материал (марка)": "PEEK (30% glass-filled, GF30)", "CTE (µm/m·°C)": "27", "Температурный диапазон": "23–100 °C", "Инженерное значение": "Стеклянное наполнение снижает CTE на ~43%; выбирается, когда размерная стабильность при термоциклировании критична", "Источник": "makerstage.com PEEK grade comparison (Victrex)" }, { "Материал (марка)": "ABS (general purpose, unfilled)", "CTE (µm/m·°C)": "90", "Температурный диапазон": "23–60 °C", "Инженерное значение": "Высокий CTE ограничивает применение в прецизионных сборках; приемлем для потребительских корпусов с большими зазорами", "Источник": "firstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets" } ] }, { "caption": "Когда разница становится размером", "columns": [ "Случай", "Расчет", "Результат", "Конструкторский ответ" ], "rows": [ { "Случай": "Корпус 6061-T6 (CTE 23.6), прикрученный к основанию из стали 1045 (CTE 11.6), межцентровое расстояние отверстий 200 mm, ΔT = 50 °C", "Расчет": "ΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50", "Результат": "0.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differential", "Конструкторский ответ": "При зазоре на болты всего 0.1 mm соединение заклинивает при ΔT = 50 °C. Используйте прорезанные отверстия, зазор ≥ 0.3 mm или податливые шайбы; для прецизионных приспособлений соединяйте алюминий с алюминием или сталь со сталью." }, { "Случай": "Стальная конструкция (CTE 12.0), прикрученная прямо к панели CFRP (CTE ~1.0 вдоль волокон), пролет 300 mm, ΔT = 80 °C", "Расчет": "(12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 80", "Результат": "0.264 mm relative slip per cycle", "Конструкторский ответ": "Вставка Ti-6Al-4V (CTE 8.6) сокращает несовпадение до 7.6 µm/m·°C с обеих сторон и снижает разностное перемещение на ~30% — поэтому в авиационных композитных соединениях доминируют титановые фитинги." }, { "Случай": "Втулка Delrin (CTE 110), запрессованная в стальной корпус (CTE 11.6): наружный диаметр 25 mm, натяг 0.05 mm при 20 °C, работа при 80 °C", "Расчет": "ΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 60", "Результат": "0.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance)", "Конструкторский ответ": "При 80 °C посадка с натягом превращается в скользящую. Рассчитывайте натяг при максимальной рабочей температуре, фиксируйте POM механически (стопорные кольца, накатка) или переходите на PEEK (CTE 47) или стеклонаполненный PEEK (CTE 27)." }, { "Случай": "Деталь 6061 длиной 500 mm, обработанная при 30 °C в цехе, проконтролированная при 20 °C (реперная температура ISO 1)", "Расчет": "23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 10", "Результат": "0.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °C", "Конструкторский ответ": "Для работы ±0.05 mm эта ошибка в 2.4× больше поля допуска: выдерживайте детали при 20 °C ± 1 °C перед окончательным контролем или применяйте компенсацию в процессе." }, { "Случай": "Плита пресс-формы P20 (CTE 11.7) со вставкой ядра H13 (CTE 12.0), диаметр вставки 100 mm, ΔT = 60 °C, проектный зазор 0.02 mm", "Расчет": "12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 60", "Результат": "0.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mm", "Конструкторский ответ": "P20 и H13 термически совместимы (несовпадение 0.3 µm/m·°C). Вставка из бериллиевой бронзы (CTE 16.6) против P20 теряет 0.029 mm зазора при том же ΔT — проектируйте вставки BeCu с припуском на расширение." } ] } ] }