材料线膨胀系数测量

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1、材料线膨胀系数测定主讲：伍洪标目录一．目的意义二．材料的热膨胀系数三．材料热膨胀系数的检测方法四．示差法的测定原理五．实验过程六．主要影响因素讨论七．实验数据处理一．目的意义热膨胀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。提高材料的热稳定性降低材料的线膨胀系数，提高材料的热稳定性，提高材料的使用安全性。提高材料的强度如果层状物由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

2、应力，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。例：夹层玻璃目的意义焊接或熔接当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，都要求二种材料具备相近的膨胀系数。如两种不同金属的焊接，玻璃仪器的焊接加工，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。目的意义合理使用材料精密仪器（小型、大型），选用膨胀系数小的材料例：大型加工机械水泥路面钢铁大桥水泥大桥大型建筑物……因此，测定材料

3、的热膨胀系数具有重要的意义。二．材料的热膨胀系数材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀通常用热膨胀系数表示。1.体积膨胀系数（αV）：相当于温度升高1时物体体积的相对增大值。由于总有内能存在，物质的每个粒子都在振动。当物质受热时，由于温度升高，每个粒子的热能增大，导致振幅也随之增大，由（非简谐）力相互结合的两个原子之间的距离也随之增大，物质就发生膨胀。物质的热膨胀是由非简谐（非线性）振动引起的。设试体为一立方体，边长为L。当温度从T1上升到T2时，体积也从V1上升到V2，体膨胀系数由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似：β=3α在测量技

4、术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来估算材料的体膨胀系数β，已足够精确。2.线膨胀系数（αL）：在实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系数。所以对于普通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数。线膨胀系数是指温度升高1℃后，物体的相对伸长。设试体在一个方向的长度为L。当温度从T1上升到T2时，长度也从L1上升到L2，则平均线膨胀系数无机材料的线膨胀系数一般都不大，数量级约为10-5-10-6/K。实际上，无机非金属材料的体积膨胀系数αV、线膨胀系数αL并不是一个常数，而是随温度稍有变化，通常随温度升高而增大。瞬时线膨胀系数为几种无机材料的热膨胀曲线如果金属在加热或冷却的

5、过程中发生相变，由于不同组成的比容差异，将引起热膨胀的异常，这种异常的膨胀系数为研究材料中的组织转变提供了重要的信息。研究金属热膨胀的另一方面兴趣来自于仪表对材料热膨胀性能的特殊要求。例如，作为尺寸稳定零件的微波设备谐振腔、精密计时器和宇宙航行雷达天线等，都要求在气温变动范围内具有一定的膨胀系数的合金；电真空技术中为了与玻璃、陶瓷、云母、人造宝石等气密封接要求具有很低膨胀系数的合金；用于制造热敏性元件的双金属却要求高膨胀合金。这就需要研究化学成分和组织结构对合金膨胀系数的影响。根据原子热振动概念的热容理论，格留涅辛进行计算。在没有相变时，膨胀系数随温度的升高连续增大。但

6、对铁、钴、镍等铁磁金属，在温度靠近居里温度时，膨胀系数出现明显的反常。其中镍和钴的膨胀系数实验值高于理论值，如图5-17所示，称为正反常，而铁的实验值低于理论值，称为负反常。相变研究是材料科学中的一项基础研究工作，而相变临界点的测定对于每一个新钢种（或合金）总是不可缺少的。以钢铁为例，由于在加热和冷却过程中存在同素异构转变，产生明显的体积效应，因而采用膨胀的测量来确定变相温度是一个很有效的方法。根据膨胀曲线来确定钢中ar转变温度。取热膨胀曲线上偏离纯热膨胀的点a、c对应的温度为转变点。b、d对应的温度为转变点。取加热与冷却曲线上的四个极值点a’、b’、d’、c’对应的温

7、度为转变点。三．材料热膨胀系数的检测方法人类很早（十八世纪）就测定固体的热膨胀。当时的测定装置很原始：水平放置约15厘米长的试样，下面点燃几支蜡烛加热，通过齿轮机构放大来确定试样长度的变化。十九世纪到现在，人们创造了许多测定方法。上世纪60年代出现了激光法，出现了用计算机控制或记录处理测定数据的测量仪器。测定无机非金属材料热膨胀系数常用：千分表法、热机械法（光学法、电磁感应法）、体积法等。它们的共同点都是试样在加热炉中受热膨胀，通过顶杆将膨胀传递到检测系统。不同之处在于检测系统。千分表法是用千分表直接测量试样的伸长量。光学热机械法是通过顶