Таблица теплофизических свойств по маркам
| Марка | λ 20 °C | λ 100 °C | λ 500 °C | c | КТЛР 20–100 | КТЛР 20–300 | КТЛР 20–500 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AISI 304 / 08Х18Н10 | 15 | 16,2–16,3 | 21,4–21,5 | 500 | 16,0–17,2 | 17,0–17,8 | 18,0–18,4 |
| AISI 316L | 15 | 16,3 | 21,5 | 500 | 15,9–16,0 | 16,2–17,0 | 17,5–18,0 |
| AISI 321 / 12Х18Н10Т | 15 | 16–16,1 | 22,2–23 | 500 | 16,0–16,6 | 17,0–17,2 | 17,9–18,6 |
| AISI 310S / 20Х23Н18 | 13,8 | 14,2–15,9 | 18,7 | 500 | 14,9–15,9 | 16,2–16,6 | 17,0–17,5 |
| Duplex 2205 | 15 | — | — | 450–500 | 13,0–13,7 | 14,0–14,7 | — |
| AISI 430 / 12Х17 | 25 | 23,9–24 | 26 | 460 | 10,0–10,4 | 10,5–11,0 | 11,0–11,4 |
| AISI 420 / 20Х13 | 23 | 24,9–26 | 27 | 460 | 10,1–10,3 | 10,8–11,5 | 12,2 |
| 40Х13 | 25 | 26 | 29,1 | 461–482 | 10,8 | 12,3 | 13,6 |
Диапазоны — там, где источники (EN 10088-1, Atlas Steels, AK Steel, марочники по ГОСТ) немного расходятся: часть из них считает коэффициент расширения от 0 °C, часть — от 20 °C. Дуплекс 2205 выше 300 °C не применяют, поэтому значения для высоких температур не приводятся.
Сравнение с другими металлами
| Металл | λ, Вт/(м·К) | КТЛР, × 10⁻⁶ 1/К |
|---|---|---|
| Нержавейка аустенитная (304, 316L) | 15 | 16–17 |
| Нержавейка ферритная (430) | 25 | 10 |
| Углеродистая сталь (сталь 20) | 52 | 11,6 |
| Алюминий (чистый / сплавы) | 236 / 150–190 | 23 |
| Медь | 401 | 16–16,7 |
Как свойства меняются при нагреве
У аустенитной нержавейки теплопроводность с температурой растёт: у AISI 304 — примерно с 15 Вт/(м·К) при 20 °C до 21,5 Вт/(м·К) при 500 °C. У углеродистой стали — наоборот, падает с 52 до 39 Вт/(м·К). Поэтому при высоких температурах разница между ними заметно меньше, чем при комнатной.
Коэффициент расширения при нагреве тоже растёт: у AISI 304 средний КТЛР в интервале 20–500 °C — около 18 × 10⁻⁶ 1/К против 16 в интервале 20–100 °C.
Как посчитать тепловое расширение
ΔL = α · L · ΔT, где α — коэффициент теплового расширения для нужного интервала температур, L — исходная длина, ΔT — изменение температуры.
Пример: лист AISI 304 длиной 3000 мм нагревается на 100 °C. ΔL = 16 × 10⁻⁶ × 3000 × 100 ≈ 4,8 мм. Такой же лист из углеродистой стали (α ≈ 11,6 × 10⁻⁶) удлинится примерно на 3,5 мм. В конструкциях, где нержавейка соединена с углеродистой сталью и нагревается, эта разница создаёт напряжения, и зазоры закладывают отдельно.
Что это значит на практике
- Сварка. Аустенитная нержавейка хуже отводит тепло и сильнее расширяется, поэтому коробится больше, чем углеродистая или ферритная сталь. Помогают минимально достаточный ток и межпроходное охлаждение — подробнее в статье как варить нержавейку.
- Теплообменники. Низкая теплопроводность металла почти не мешает: стенка тонкая, а основное сопротивление теплопередаче дают теплоносители и отложения.
- Облицовка, фасады, трубопроводы. Длинные элементы из аустенита расширяются заметно — нужны компенсаторы и подвижные крепления.
- Соединение с углеродистой сталью. Разница коэффициентов расширения (16 против 11–12 × 10⁻⁶ 1/К) при нагреве создаёт напряжения в соединении.
Частые вопросы
Какая теплопроводность у нержавеющей стали?
У аустенитных марок (AISI 304, 316L, 321) — около 15 Вт/(м·К) при 20 °C и около 21–23 Вт/(м·К) при 500 °C. У ферритной AISI 430 и мартенситной 20Х13 — выше, 23–25 Вт/(м·К). Для сравнения, у углеродистой стали около 52 Вт/(м·К).
Почему нержавейка хуже проводит тепло, чем обычная сталь?
Из-за легирования хромом и никелем. Легирующие элементы нарушают регулярность кристаллической решётки и рассеивают носители тепла, поэтому теплопроводность аустенитной нержавейки в 3–3,5 раза ниже, чем у углеродистой стали.
Годится ли нержавейка для теплообменников?
Да. Стенка теплообменника тонкая, и основную часть сопротивления теплопередаче создают теплоносители и отложения на стенке, а не сам металл. Поэтому низкая теплопроводность нержавейки компенсируется её коррозионной стойкостью и чистотой поверхности.
Какой зазор закладывать на тепловое расширение?
Удлинение считают по формуле ΔL = α · L · ΔT. Например, лист AISI 304 длиной 3 м при нагреве на 100 °C удлиняется примерно на 4,8 мм (α = 16 × 10⁻⁶ 1/К), а такой же лист из углеродистой стали — примерно на 3,5 мм.
Почему AISI 430 меньше коробится при сварке, чем 304?
Коэффициент теплового расширения у ферритной AISI 430 около 10 × 10⁻⁶ 1/К против 16 у аустенитной 304, а теплопроводность выше — 23–25 против 15 Вт/(м·К). Металл меньше расширяется и быстрее отводит тепло от шва.
Растёт ли теплопроводность нержавейки с температурой?
Да, у аустенитных марок растёт: у AISI 304 — примерно с 15 Вт/(м·К) при 20 °C до 21,5 Вт/(м·К) при 500 °C. У углеродистой стали, наоборот, снижается — с 52 до 39 Вт/(м·К).
Источники
- EN 10088-1 — физические свойства нержавеющих сталей при повышенных температурах
- Atlas Steels — технические листы марок (сводный документ)
- AK Steel — 304/304L Data Sheet
- Outokumpu — Forta range datasheet (дуплексные стали)
- Марочник сталей и сплавов (splav-kharkov.com) — данные по ГОСТ
- Engineering ToolBox — теплопроводность и расширение металлов