انبساط حرارتی

مقدمه

انبساط حرارتی :در دنیای علم مواد،فلزات و آلیاژ های آنها،سرامیک ها،پلیمر ها و کامپوزیت ها را به نام مواد مهندسی می شناسند.هرکدام از این مواد به چندین گروه تقسیم می شوند.یکی از این گروه ها،مواد دیرگداز هستند که زیرشاخه ی عظیم و مهمی از دسته ی سرامیک ها هستند. مواد دیرگداز، همانطور که از لفظ آنها پیداست، در معرض دماهای بالا قرار می گیرند و به نسبت دیگر مواد مهندسی،عمل گدازش در آنها خیلی دیر اتفاق می افتد.اما آیا ابعاد اشکال ساخته شده از این مواد هم بدون تغییر باقی می مانند؟و یا دچار تلرانس می شوند؟ علت اصلی این تلرانس های ابعادی چیست؟

تعریف انبساط حرارتی

افزایش ابعاد اسمی یک جسم،در اثر اعمال حرارت را انبساط حرارتی می گویند. این انبساط ممکن است خطی (طولی) و یا حجمی باشد.

همچنین برای مقایسه و محاسبه برای مواد مختلف، ضریب انبساط حرارتی ? اینگونه تعریف شده است:

نسبت تغییرات طول (خطی) و یا حجم در ازای یک واحد افزایش دما

میزان تغییرات خطی را با دلتا L و میزان تغییرات حجم را با دلتا V  نمایش می دهند.

ضریب انبساط حرارتی خطی از فرمول زیر محاسبه می شود:

? : دما بر حسب کلوین یا درجه سلسیوس :
? : ضریب انبساط حرارتی خطی :
l : طول نمونه
به همان ترتیب ضریب انبساط حرارتی حجمی از فرمول زیر محاسبه می شود:

? : دما بر حسب کلوین یا درجه سلسیوس
? : ضریب انبساط حرارتی حجمی
v : حجم نمونه

علت انبساط حرارتی

علت اصلی روی دادن این پدیده پس از بررسی های ریز ساختاری،تغییر فواصل بین اتم ها در اثر اعمال حرارت ثابت شده است.یعنی افزایش دما باعث افزایش فواصل بین اتم ها و نتیجتا افزایش ابعاد نمونه    می شود.

نمودار انرژی بر حسب فاصله بین اتمی را مشاهده می کنید.در سطح های انرژی پایین تر که دما نزدیک به نقطه انجماد مواد می شود فواصل بین اتم های سازنده ماده به کمترین مقدار ممکن می رسد و در سطوح انرژی بالاتر این فاصله ها افزایش می یابند و منجر به ازدیاد اندازه ابعاد می شوند.در نهایت هم در سطحی از انرژی به حالت تقریبا پایدار می رسد که دیگر بعد از آن ازدیاد بعد محسوسی رخ نمی دهد. بدیهی است که هرچه عمق چاه این منحنی بیشتر باشد، پیوند ها کمتر از دما تاثیر پذیر خواهند بود.

حال اینکه چرا اتم ها در اثر حرارت از یکدیگر فاصله می گیرند و منبسط می شوند،در اینجا مورد بحث است. این تغییرات فواصل بین اتمی نیز به انرژی پیوندی بین اتم ها بستگی دارد.چرا که اعمال حرارت باعث شکستن پیوند های اتمی شده و فاصله بین آنها را از حالت تعادلی خارج می سازد.به عبارتی دیگر هرچقدر پیوند های بین اتمی قوی تر باشند به گرمای بیشتری برای غلبه بر انرژی پیوندی مابین اتم ها نیاز است.لذا ضرایب انبساط حرارتی بالاتری برای آنها متصور است.

پیوند های بین اتمی به ترتیب کاهش انرژِی پیوندی به شرح زیر است:

• پیوند های کووالانسی
• پیوند های یونی
• پیوند های فلزی
• پیوندهای واندروالسی
• پیوند های هیدروژنی

عامل موثر دیگر بر روی ضریب انبساط حرارتی،چگالی (فشردگی ساختاری) مواد است.هر چقدر ساختار فشرده تر و چگالی مواد بالاتر باشند،میزان نیروی جاذبه ی بین اتم های سازنده بیشتر،پیوند های قوی تر و ضرایب انبساط پایین تری دارند و مقاومت حرارتی بالاتری را به خود اختصاص می دهند.

انواع تغییرات ابعاد

تغییرات ابعاد به دو گونه رخ می دهد:

1) تغییرات ابعاد برگشت پذیر:

با افزایش دما شاهد ازدیاد ابعاد هستیم اما این میزان اضافه شده به ابعاد ماده پایدار نیست چراکه بعد از کاهش دما و سرد شدن،ابعاد قطعه به حالت اولیه خود باز می گردد.

2) تغییرات ابعاد برگشت ناپذیر:

بعد از افزایش دما ابعاد افزایش می یابد اما پس از کاهش دما و سرد شدن،قطعه به ابعاد اولیه خود بر نمی گردد.پس تغییرات ابعادی پایدار و غیر قابل برگشت است.

به این نوع تغییرات اصطلاحاُ  PLC   نیز می گویند.

*نکته*

گاهی اوقات مشاهده شده است که پس از اعمال حرارت به جسم و افزایش ابعاد آن،پس از سرد شدن،قسمتی از جسم به ابعاد اولیه خود بازگشته و قسمت هایی بدون تغییر باقی می ماند.

نتیجه می گیریم که در یک تغییرات ابعادی در اثر اعمال حرارت، ممکن است در قسمت هایی انبساط حرارتی برگشت پذیر و در قسمت هایی دیگر انبساط حرارتی برگشت ناپذیر مشاهده شود.

تغییرات ابعاد انقباضی

در بعضی از مواقع در اثر اعمال حرارت شاهد کاهش ابعاد یعنی انقباض  هستیم.به عنوان مثال گاهی اوقات در عمل زینترینگ (تفت جوش)،اتم ها به یکدیگر اصطلاحا جوش خورده و فاصله ی بین آنها کاهش می یابد،در نتیجه انقباض صورت میگیرد.

انقباض های حرارتی عمدتا از نوع برگشت ناپذیر (PLC) هستند.

ضرایب انبساط حرارتی برخی مواد

جدول1 – ضرایب انبساط حرارتی برخی مواد مهندسی

روش اندازه گیری میزان انبساط حرارتی

میزان ازدیاد طول در اثر حرارت را با دستگاهی به نام دیلاتومتر سنجیده می شود.این دستگاه به کمک پیزوالکتریک تغییرات طول اندازه گیری شده را به پالس الکتریکی تبدیل کرده و در نهایت نمایشگر منحنی تغییرات طول را بر حسب تغییرات دما به نمایش می گذارد.

در اینجا نمودار منحنی های درصد این مبحث بر حسب افزایش دمای برخی از مواد را مشاهده می کنید که با یکدیگر مقایسه شده اند.

همانطور که مشاهده می کنید،درصد آن در دمای  200 برای کریستوبالیت به بالاترین حد خود رسیده و بعد از آن با نرخ بسیار اندکی در حال صعود است.اما در همین دما،کوارتز انبساط حرارتی اندکی داشته و نرخ درصد افزایش طول کمی دارد.همچنین ماده ای هم مثل فیوزد کوارتز در هیچ دمایی انبساط حرارتی نداشته و فواصل بین اتمی آن در هر دمایی پایدار هستند.

تاثیر انبساط حرارتی در صنعت آجر نسوز

خاک های نسوز عمدتا ترکیبات سرامیکی دارند و همانطور که دیدید در بین مواد مهندسی سرامیک ها کمترین ضرایب انبساط حرارتی را دارا هستند.اما از آنجا که پخت آجر های نسوز در دمای بالا انجام می گیرد،انبساط حجمی در برخی از آجر های نسوز رخ می دهد.اما چون ضرایب انبساط حرارتی همانطور که گفته شد پایین است،تغییرات ابعاد در حد چند میلیمتر خواهد بود.اما گاهی اوقات همانطور که گفته شد،پس از پخت و انجام عمل زینترینگ (تفت جوشی)،انقباض صورت گرفته و ابعاد آجر تولید شده کوچکتر از ابعاد اسمی قالب و خشت خام شده است.

 با توجه به این نکات،صنعتگران میزان انبساط و انقباض حرارتی خاک های نسوز مورد نظر را به صورت علمی و تجربی محاسبه و ثبت کرده و در ساخت قالب ها این تلرانس های ابعادی را مد نظر قرار می دهند تا ابعاد اسمی آجر های تولیدی را در یک حاشیه ی امن استاندارد حفظ کنند.

نویسنده: مهندس علیرضا احمدی

کارشناس ارشد کنترل کیفیت شرکت دیرگداز اراک