Главная / Вики / Справочные таблицы / Коэффициенты теплового расширения материалов ЧПУ

Коэффициенты теплового расширения материалов ЧПУ

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.

Коэффициент теплового расширения (CTE) по материалам и температурным диапазонам

Материал (марка)CTE (µm/m·°C)Температурный диапазонИнженерное значениеИсточник
Aluminum 1060 (commercially pure)23.620–100 °CНаивысший CTE среди распространенных металлов ЧПУ; конструкции шин и радиаторов должны предусматривать зазоры на расширениеASM Handbook Vol. 2 via matmake.com
Aluminum 6061-T623.620–100 °CНаиболее часто обрабатываемый алюминиевый сплав; CTE не зависит от термообработки (O, T4, T6 и T651 — все 23.6)ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J
Aluminum 6061-T624.620–200 °CСредняя при повышенной температуре растет на ~4%; выше 150 °C используйте CTE, привязанный к диапазонуMIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2
Aluminum 7075-T623.620–100 °CАвиационный сплав; тот же CTE, что у 6061, при вдвое большем пределе текучести — упрощает проектирование приспособлений из смешанных сплавовmatmake.com; arcuscnc.com
Copper C11000 (ETP)17.020–100 °CМатериал шин и разъемов; несовпадение CTE с алюминием (23.6) вызывает усталость соединения в биметаллических наконечникахfabdigit.com (C11000-O properties)
Copper C11000 (ETP)17.020–300 °CСредний CTE в широком диапазоне; значение из спецификации производителяjtcopper.com C11000 datasheet
Brass C36000 (free-cutting)20.520–100 °C (approx.)Медный сплав с наивысшей обрабатываемостью; CTE между медью и алюминием — важно для латунных вставок в алюминиевых корпусахmechcodex.com C36000 thermal table
Carbon steel AISI 1045 (annealed)11.60–100 °CБазовая 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 °Ctheworldmaterial.com AISI 1045 physical properties
Carbon steel AISI 1045 (annealed)12.30–200 °CСредняя при повышенной температуре; растет с температурным диапазономtheworldmaterial.com AISI 1045
Alloy steel AISI 4140 (normalized)12.320–100 °CВысокопрочная сталь валов и осей; CTE близок к 1045 — взаимозаменяем в расчетах термических напряженийASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com
Stainless steel 304/304L17.30–100 °CАустенитная нержавейка расширяется на ~44% больше углеродистой стали; критично для соединений труба–трубная решетка теплообменниковjnalloys.com CTE comparison table
Stainless steel 316/316L15.90–100 °CCTE ниже, чем у 304, несмотря на похожую аустенитную структуру (добавка молибдена); предпочтительна для проектирования компенсации судовых трубопроводовjnalloys.com CTE comparison table
Stainless steel 17-4PH (H900)10.80–100 °CМартенситная PH-сталь; CTE ближе всего к углеродистой стали среди нержавеющих — идеальна для прецизионных авиационных фитингов, сопрягаемых со стальными конструкциямиxometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C)
Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)8.620–100 °CНаименьший CTE среди распространенных конструкционных металлов; хорошо сочетается с CFRP (0–2) в гибридных авиационных соединенияхarcuscnc.com CTE comparison
Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)8.820–100 °C (approx.)Альтернативное опубликованное значение; разница лежит в пределах неопределенности измерения (±2%)mechcodex.com Ti-6Al-4V properties
Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC)11.720–100 °CСталь плит пресс-форм; CTE должен соответствовать сталям вставок, чтобы избежать трещин от термических напряжений в литьевых формах при термоциклированииASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context)
Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC)12.020–200 °CСталь матриц для литья под давлением и ковки; работает при температуре поверхности 500–650 °C, поэтому CTE повышенного диапазона важен для посадок вставок матрицыASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com
Delrin / POM (acetal homopolymer)11023–60 °CОколо 5× стали; посадки пластик–металл с натягом ослабевают с ростом температуры — задавайте натяг при максимальной рабочей температуреfirstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet
Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded)8023–60 °CВлагопоглощение добавляет гигроскопическое расширение сверх теплового слагаемого; 50% RH повышает эффективное изменение размера на ~0.2%DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21
PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G)4723–100 °CНаименьший CTE среди ненаполненных инженерных пластиков; приближается к алюминию при повышенной температуре — пригоден для замены металла в средах с термоциклированиемmakerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55)
PEEK (30% glass-filled, GF30)2723–100 °CСтеклянное наполнение снижает CTE на ~43%; выбирается, когда размерная стабильность при термоциклировании критичнаmakerstage.com PEEK grade comparison (Victrex)
ABS (general purpose, unfilled)9023–60 °CВысокий CTE ограничивает применение в прецизионных сборках; приемлем для потребительских корпусов с большими зазорамиfirstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets
Как читать эту таблицу. Там, где два источника расходятся, приведены обе строки (Ti-6Al-4V фигурирует при 8.6 и 8.8). Температурные диапазоны указаны как опубликовано и не нормированы к одному диапазону — всегда используйте строку CTE, чей диапазон покрывает ваш фактический температурный интервал.

Когда разница становится размером

Пять расчетов из практики, каждый по ΔL = α × L × ΔT со значениями из таблицы выше. Это причина, по которой два материала с разными CTE нельзя считать взаимозаменяемыми в прецизионной сборке.

СлучайРасчетРезультатКонструкторский ответ
Корпус 6061-T6 (CTE 23.6), прикрученный к основанию из стали 1045 (CTE 11.6), межцентровое расстояние отверстий 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 differentialПри 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.
Стальная конструкция (CTE 12.0), прикрученная прямо к панели CFRP (CTE ~1.0 вдоль волокон), пролет 300 mm, ΔT = 80 °C(12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 800.264 mm relative slip per cycleВставка 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.
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 °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)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).
Деталь 6061 длиной 500 mm, обработанная при 30 °C в цехе, проконтролированная при 20 °C (реперная температура ISO 1)23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 100.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °CДля 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.
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 mm12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 600.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mmP20 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.

Как использовать эти числа

  • CTE здесь — µm/(m·°C), равно 10⁻⁶/K или ppm/°C. Выбирайте строку, чей температурный диапазон соответствует применению — один и тот же сплав публикует разные средние по разным диапазонам (6061: 23.6 по 20–100 °C, 24.6 по 20–200 °C).
  • Термообработка не меняет CTE алюминия: 6061 показывает 23.6 µm/m·°C в каждом состоянии (O, T4, T6, T651). Только температурный диапазон сдвигает эффективное значение.
  • Там, где источники расходятся, сохранены оба значения: Ti-6Al-4V фигурирует при 8.6 и 8.8 µm/m·°C — разброс внутри типовой неопределенности измерения (±2%). Для нержавейки 304 мы используем 17.3 — одна таблица-калькулятор показывает 10.8, это значение 17-4PH и ошибка ввода данных.
  • CTE пластиков сильно зависит от наполнителя, кристалличности и влаги. Строка Nylon 6/6 — сухое состояние, как из формы (80); при равновесии 50% RH эффективное изменение размера растет на ~0.2% сверх теплового слагаемого.
  • Ловушка контроля: детали растут от тепла резания и сжимаются на КИМ. Деталь 6061 длиной 300 mm, обработанная при 40 °C, сжимается на 0.14 mm к моменту достижения 20 °C — измеряйте после термостабилизации или закладывайте сдвиг в допуск.

Часто задаваемые вопросы

Насколько вырастет стержень алюминия 6061 длиной 200 mm от 20 °C до 60 °C?
Около 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
Почему мои алюминиевые детали после обработки на ЧПУ получаются меньше номинала?
Термическое сжатие от тепла резания. Деталь 6061 длиной 300 mm, обработанная при 40 °C, сжимается на 0.14 mm к 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Выдержите деталь при 20 °C перед окончательным измерением.
Какова разница CTE между алюминием и нержавеющей сталью 304?
6.3 µm/m·°C (23.6 против 17.3). На длине 100 mm при ΔT = 50 °C это 0.032 mm разностного перемещения.
Можно ли запрессовать втулку Delrin в стальной корпус для работы при 80 °C?
Не только за счет натяга. CTE POM (110) — 9.5× от стали (11.6): натяг 0.05 mm при 20 °C на диаметре 25 mm к 50 °C превращается в зазор. Используйте механическую фиксацию или переходите на стеклонаполненный PEEK (CTE 27).
Какой металл имеет наименьшее тепловое расширение для прецизионных приспособлений?
Титан Ti-6Al-4V при 8.6 µm/m·°C — ниже любой распространенной стали (11.6–12.3) и менее половины алюминия (23.6). Для конструкции со сверхнизким расширением крайний вариант: Invar (FeNi36) при 1.2 µm/m·°C, но стоит в 10–20× дороже.
Насколько удлинится стальная балка длиной 1 метр при нагреве на 40 °C?
Около 0.46 mm для углеродистой стали 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Для нержавейки 304 — 0.69 mm; поэтому длинным конструкциям нужны температурные швы.
Меняет ли термообработка (T6 против T4) CTE алюминия 6061?
Нет. CTE составляет 23.6 µm/m·°C в каждом состоянии (O, T4, T6, T651). Его задает решетка алюминия, а не популяция упрочнителей; только температурный диапазон меняет эффективное значение.
Какой CTE брать для PEEK в медицинском изделии при температуре тела?
Берите 47 µm/m·°C (ненаполненный, диапазон 23–100 °C). При ΔT = 17 °C (20 → 37 °C) элемент 50 mm вырастает лишь на 0.040 mm — внутри типового допуска обработки ±0.025 mm, если измерять при 20 °C.

Стандарты и источники

  • ASM Handbook Vol. 2, 10-е изд. (1990) — значения CTE алюминиевых сплавов и независимость от состояния
  • MIL-HDBK-5J (U.S. DoD, 2003) — CTE 6061 в зависимости от температуры (20–100/200/300/400 °C)
  • ASM Handbook Vol. 1 — AISI 4140 = 12.3; P20 = 11.7; H13 = 12.0 µm/m·°C
  • Спецификации DuPont Delrin 500P и Zytel 101L — POM 110 µm/m·°C (23–60 °C), Nylon 6/6 80 µm/m·°C (сухое состояние, как из формы)
  • Данные Victrex PEEK через makerstage.com — ненаполненный 47, GF30 27 µm/m·°C; criterionprecision.com дает 45–55
  • Сравнение CTE jnalloys.com — 304/304L = 17.3, 316/316L = 15.9 µm/m·K (0–100 °C)
  • xometry.com и alloy-materials.com — 17-4PH = 10.8 µm/m·°C (20–100 °C)
  • arcuscnc.com — Ti-6Al-4V = 8.6; matmake.com (данные ASM) — таблица алюминиевых сплавов; mechcodex.com — C36000 = 20.5, Ti-6Al-4V = 8.8
  • theworldmaterial.com — AISI 1045 = 11.6 (0–100 °C) и 12.3 (0–200 °C); fabdigit.com — C11000 = 17 (20–100 °C); jtcopper.com — C11000 = 17.0 (20–300 °C)
  • Там, где источники противоречат, приведены обе строки, а расхождение задокументировано в примечаниях по применению

Связанные страницы

Скачать эту таблицу