实验讲义十五 材料线膨胀系数的测定——示差法

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1、实验十五材料线膨胀系数的测定——示差法概述物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。在实际应用中，当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，选择材料的热膨胀系数显得尤为重要，如玻璃仪器、陶瓷制品的焊接加工，都要求二种材料具备相近的膨胀系数。在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料(玻璃、陶瓷)与各种金属焊接，也要求两者有相适应的热膨胀系数；如果选择材料的膨胀系数相差比较大，焊接时由于膨胀的速度不同，在焊接处产生应力，降低了材料的机械强度和气密性，严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。如果层状物由

2、两种材料迭置连接而成，则温度变化时，由于两种材料膨胀值不同，若仍连接在一起，体系中要采用一中间膨胀值，从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的意义。目前，测定材料线膨胀系数的方法很多，有示差法(或称“石英膨胀计法”)、双线法、光干涉法、重量温度计法等。在所有这些方法中，以示差法具有广泛的实用意义。国内外示差法所采用的测试仪器很多，有分立式膨胀仪(如weiss立式膨胀仪)和卧式膨胀仪(如HTV型、UBD型、RPZ―1型晶体管式自动热膨胀仪)两种。有工厂的定型产品，也有自制的石英膨胀计。些外

3、，双线法在生产中也是—种快速测量法。本实验采用示差法。一、实验目的1．了解测定材料的膨胀曲线对生产的指导意义；2．掌握示差法测定热膨胀系数的原理和方法，以及测试要点；3．利用材料的热膨胀曲线，确定玻璃材料的特征温度。二、实验原理一般的普通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数，其意义是温度升高1℃时单位长度上所增加的长度，单位为厘米╱厘米·度。假设物体原来的长度为L0，温度升高后长度的增加量为L，它们之间存在如下关系：　　　　　　L╱L0＝1t　　　　　　　　　　　　　（1）式中，1称为线膨胀系数，也就是温度每升高1℃时，物体的相对伸长。当物体的温度从T1上升到T2时，其体积也从V1变

4、化为V2，则该物体在T1至T2的温度范围内，温度每上升一个单位，单位体积物体的平均增长量为6　　　　　　　　V1－V2）╱V1（T1－T2）　　　　　　(2)式中，为平均体膨胀系数。从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因此，在讨论材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数：　　　　　　　＝（L1－L2）╱L1（T1－T2）(3)式中：―试样的平均线膨胀系数；　L1―在温度为T1时试样的长度；　L2―在温度为T2时试样的长度；与的关系是　　　　　　　　(4)在实际中忽略高阶无穷小，而取一级近似，即3。必须指出，由于膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数都是具

5、有在一定温度范围t内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温度范围。如：(0～300)=5.7×10-7/k表1　一些材料的膨胀系数材料名称线膨胀系数（10-6╱K）0～1000℃材料名称线膨胀系数（10-6╱K）0～1000℃材料名称线膨胀系数（10-6╱K）0～1000℃Al3O2BeOMgO莫来石尖晶石氧化锆8.89.013.55.37.64.2ZrO2TiCB4CSiC石英玻璃钠钙硅玻璃107.44.54.70.59.0硼硅玻璃粘土耐火材刚玉瓷硬质瓷滑石瓷钛酸钡瓷35.55～5.567～910示差法是利用热稳定性良好的材料——石英玻璃(棒和管)在较高温度下，其线膨胀系数随温

6、度改变很小的性质。当温度升高时，石英玻璃与其中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样的膨胀比石英玻璃管上同样长度部分的膨胀要大。因而使得与待测试样相接触的石英玻璃棒发生移动，这个移动是石英玻璃管、石英玻璃棒和待测试样三者的同6时伸长和部分抵消后在千分表上所显示的L值，它包括试样与石英玻璃管和石英玻璃棒的热膨胀之差值，测定出这个系统的伸长之差值及加热前后温度的差数，并根据已知石英玻璃的膨胀系数，便可算出待测试样的热膨胀系数。图1　石英膨胀仪内部结构热膨胀分析图图1是石英膨胀仪的工作原理分析图，从图中可见，膨胀仪上千分表上的读数为：　　　　L=L1-L2由此得到试样的净伸长：L

7、1=L+L2根据定义，待测试样的线膨胀系数（L+L2）╱Lt　＝(L╱Lt)+(L2／Lt)其中　　　L2／Lt＝石所以　＝石+(L╱Lt)若温度差为t2－t1，则待测试样的平均线膨胀系数可按下式计算：　　　＝石+L╱L(t2-t1)式中：石　―石英玻璃的平均线膨胀系数(按下列温度范围取值)；　　　　　5.710-7度-1　　　　（0～300℃）　　　　5.910-7度-1　　　　（0～400℃）　　　　　　　　　　　5.810-7度-1　　　　　　　　（