Coefficient de dilatation thermique
Coefficient de dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique (CDT) décrit la mesure dans laquelle la taille d'un matériau change avec la température. Il est généralement exprimé en unités par degré Celsius (°C-¹) ou par Kelvin (K-¹). Bien que la représentation mathématique exacte de l'ECU implique des formules, le concept tourne autour des changements linéaires, surfaciques ou volumétriques qu'un matériau subit lorsque la température varie.
Facteurs affectant la dilatation thermique
Plusieurs facteurs influencent le coefficient de dilatation thermique des matériaux :
Composition du matériau
Les matériaux ont des CTE intrinsèquement différents. Les métaux, les céramiques, les polymères et les composites réagissent tous de manière unique aux changements de température en fonction de leurs structures atomiques et moléculaires.
Plage de température
L'ECT peut varier en fonction de la température. Certains matériaux présentent une expansion linéaire sur certaines plages de température, tandis que d'autres peuvent avoir des comportements non linéaires à des températures plus élevées ou plus basses.
Anisotropie structurelle
Les matériaux anisotropes, dont les propriétés dépendent de la direction, peuvent se dilater différemment selon différents axes. Ce phénomène est particulièrement important dans des matériaux tels que le bois ou certains cristaux.
Contraintes externes
Les contraintes préexistantes à l'intérieur d'un matériau peuvent influer sur la façon dont il se dilate ou se contracte lorsque la température change. Les contraintes résiduelles dues aux processus de fabrication peuvent modifier le coefficient de dilatation effectif.
Facteurs environnementaux
L'exposition à différents environnements, tels que l'humidité ou l'exposition à des produits chimiques, peut influencer les propriétés de dilatation thermique des matériaux au fil du temps.
Dilatation thermique de matériaux courants
Le tableau ci-dessous donne des exemples de divers matériaux et de leurs coefficients de dilatation thermique respectifs :
|
Matériau |
Coefficient de dilatation thermique (°C-¹) |
|
23 ×10-⁶ |
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Acier |
12 ×10-⁶ |
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Verre |
9 ×10-⁶ |
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Béton |
10 ×10-⁶ |
|
Cuivre |
16.5 ×10-⁶ |
|
Laiton |
19 ×10-⁶ |
|
8.6 ×10-⁶ |
|
|
Polyéthylène |
100 ×10-⁶ |
|
Fibre de carbone |
0.5 ×10-⁶ |
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Invar (alliage) |
1.2 ×10-⁶ |
Dilatation thermique des métaux courants
|
Métal |
CDT (10-⁶/°C) |
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Aluminium |
23.1 |
|
Laiton |
19-21 |
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Bronze (phosphore) |
17.6 |
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Cuivre |
16.5 |
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Or |
14.2 |
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Fer |
11.8 |
|
Plomb |
28.9 |
|
Magnésium |
25.2 |
|
Nickel |
13.3 |
|
8.8 |
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Argent |
19.5 |
|
Acier inoxydable (304) |
16.0 |
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Acier inoxydable (316) |
15.9 |
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Acier (carbone) |
11.7-13.0 |
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Etain |
22.0 |
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Titane |
8.6-9.4 |
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4.5 |
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|
Zinc |
30.2 |
|
Zirconium |
5.7 |
Questions fréquemment posées
Quelle est l'importance du coefficient de dilatation thermique en ingénierie ?
Le coefficient de dilatation thermique est essentiel en ingénierie pour concevoir des structures et des composants capables de résister aux changements de température sans subir de contraintes ou de déformations excessives. Il garantit l'intégrité et la longévité des matériaux utilisés dans diverses applications.
Comment le coefficient de dilatation thermique affecte-t-il les objets de la vie quotidienne ?
Les objets courants tels que les ponts, les voies ferrées et les bâtiments se dilatent et se contractent en fonction des changements de température. La compréhension de leur coefficient de dilatation thermique permet de concevoir des joints de dilatation et d'autres éléments qui s'adaptent à ces mouvements, évitant ainsi les dommages structurels.
Le coefficient de dilatation thermique peut-il être négatif ?
Oui, certains matériaux présentent une dilatation thermique négative, c'est-à-dire qu'ils se contractent lorsqu'ils sont chauffés. Ces matériaux sont relativement rares et présentent un intérêt pour les applications spécialisées dans lesquelles une contraction contrôlée est souhaitable.
Comment le coefficient de dilatation thermique est-il mesuré ?
Le coefficient de dilatation thermique est généralement mesuré à l'aide de techniques telles que la dilatométrie, qui consiste à surveiller le changement de longueur ou de volume d'un matériau lorsqu'il est chauffé ou refroidi dans des conditions contrôlées.
Le coefficient de dilatation thermique varie-t-il en fonction de la pureté du matériau ?
Oui, les impuretés et les éléments d'alliage peuvent affecter de manière significative le coefficient de dilatation thermique d'un matériau. Les matériaux purs présentent souvent des caractéristiques de dilatation différentes de celles de leurs homologues alliés.
