热膨胀、热导、摩擦磨损、衍射实验报告

湖南科技大学
金属材料专业综合实验
题目材料专题设计与研究实验作者
学院机电工程学院
专业金属材料工程
学号
指导教师
二〇一二年一月四日
实验一热膨胀系数测试
一、实验目的：测定在高温状态金属材料，陶瓷，釉料，耐火材料以及其他非金属材料在受热焙烧过程中德热膨胀和受挫性能，也适用于GB1T3810.8-2006对陶瓷砖线性热膨胀的测定。

二、实验仪器：RPY、ZRPY—1400系列热膨胀系数测定仪（该仪器是用于测定在高温状态金属材料，陶瓷、釉料、耐火材料以及其它非金属材料在受热焙烧过程中的膨胀和收缩性能，也适用于GB/T3810.8-2006对陶瓷砖线性热膨胀的测定。

）
三、主要技术参数：
1、最高炉温：1000℃1400℃1600℃
2、测定变形范围：5mm
3、灵敏度：≤0.1μm
4、控温精度：±0.1℃
5、计算机自动计算膨胀系数、线膨胀量
6、自动计算补偿系数并自动补偿，也可人工修正
7、试样尺寸：∮6-10×50mm，10×10×50mm
8、电源：220V，2kw
9、ZRPY智能膨胀仪自动控温，记录，存储，打印数据，打印温度-膨胀系数曲线，所有试验操作均由计算机界面完成，操作方便并提供全套软件。

四、仪器的组成及原理：
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。

仪器由传感装置，电炉火，小车，基座，电器控制柜五部分组成，电驴升温后，炉膛内的试样发生膨胀，顶在试样端部的测试杆产生与之等量的位移量（如果不计系统的热变形量的话）。

这一位移量由电感位移计精确地测量出来，并由位移显示。

为消除系统热变形量对测试结果的影响，在计算中需加上相应的补偿值才是试样的真实膨胀值才是试样的真实膨胀值。

1、传感装置中德测试杆一端顶着试样，端连着电感位移计铁芯，试样的另一端顶在固定的试样挡板上，因而试样在此端的自由度被限制了，所以试样的膨胀将引起位移传感器的铁芯相应的位移。

2、试样装在试管中固定不动，进出炉膛靠移动电阻炉来实现。

这样避免了试样受到振动。

电阻炉膛装在小车上，小车可在基座导轨上移动。

3、电气部分。

电驴采用硅碳棒发热，炉温测定采用相应热电偶及温控仪。

五、实验结果分析：
样品变化量
50100150200
30
90
150
210
270
330
390
450
510
570
630
690
750
810
870
930
990
温度（℃）
样品变化量（u m )
样品变化量
线膨胀系数
510152030
90
150
210
270
330
390
450
510
570
630
690
750
810
870
930
990
温度（℃）
线膨胀系数（X 10-6）
线膨胀系数
线膨胀百分率
0.511.5230
90
150
210
270
330
390
450
510
570
630
690
750
810
870
930
990
温度（℃）
线膨胀百分率（%）
线膨胀百分率
体膨胀系数
10203040506030
90
150
210
270
330
390
450
510
570
630
690
750
810
870
930
990
温度（℃）
体膨胀系数（10-7）
体膨胀系数
如图所示，上三个图分别表示位移，线膨胀系数、线膨胀百分率和体膨胀系数的关系。

位移和线膨胀百分率随着温度的增加增大。

基本上是呈线性关系。

体膨胀系数与温度的关系：开始时体膨胀系数增加的比较快，过一段时间后增加的比较慢，然后区于平稳。

实验二 树脂导热系数测试
一、实验目的：测试树脂材料的导热系数 二、实验原理： 1. 导热系数
根据1882年傅立叶（J.Fourier ）建立的热传导理论，当材料内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传向低温处，这时，在dt 时间内通过dS 面积的热量dQ ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数是热导系数，即：
dS dz
dT
dt dQ λ-= （1） 式中
dt dQ 为传热速率，dz
dT
是与面积dS 相垂直的方向上的温度梯度，负号表示热量从温度高的地方传到温度低的地方，λ是导热系数。

国际单位制中，导热系数的单位为W ·m －1·K －1。

2. 用稳态平板法测不良导体的导热系数
设圆盘P 为待测样品，如图1所示，待测样品P 、散热盘B 二者的规格相同，厚度均为h 、截面积均为S （4
2
D S π=
，D 为圆盘直径），上下两面的温度为1T 和
2T 保持稳定，侧面近似绝热，则根据（1）式可以知道传热速率为：
S h
T T S h T T dt dQ
2112-=--=λλ （2） 为了减小侧面散热的影响，圆盘P 的厚度h 不能太大。

由于待测圆盘的上下表面的温度1T 和2T 是用加热盘A 的底部和散热盘B 的顶部的温度来表示的，所以必须保证样品与加热盘A 和散热盘B 紧密接触。

图1、导热系数测定原理
所谓稳态法就是获得稳定的温度分布，这时温度1T 和2T 也就稳定了。

当1T 和
2T 的值稳定不变时，这时可以认为通过样品P 的传热速率与散热盘B 在温度为2
T 时的散热速率相当。

为了求出这时的传热速率，可以先求散热盘在温度2T 时的散热速率。

实验中，在读得稳定的1T 和2T 时，即可将样品移去，然后将加热盘A 与散热盘B 直接接触，当B 盘的温度上升了大约10℃后，将加热盘A 移开，让B 盘自然冷却, 每隔一定的时间间隔采集一个温度值，由此求出铜盘B 在温度2T 附近的冷却速率。

由于物体的冷却速率与它的散热面积成正比，考虑到铜盘散热时，其表面是全部暴露在空气中，即散热面积是上、下表面与侧面，而实验中达到稳态散热时，铜盘的上表面却是被样品覆盖着的，故需对散热速率加以修正。

修正后，铜盘P 的散热速率为：
dt dQ
Dh D Dh D dt dQ 全⋅++=)2
()4(2
2
ππππ （3） 这里
dt dQ 全表示在自然冷却时的散热速率，它和冷却速率dt
dT
之间的关系为： dt
dT
mc dt dQ =全 （4） m 和c 分别为待测样品的质量和比热容，根据（2）（3）（4）式，可以求出导热系数的公式为：
dt
dT
T T h D
h D
mch
⋅
-++=))(2
(
)4
(
21λ （5） 式中，21T T h D c m 、、、、、，都可由实验测出准确值，由此可见，只要求出dt
dT ，就可以求出导热系数λ。

根据热电偶的工作原理，热电偶是将一定的温差转化为电动势而显示出来：
T E ∆≈α （6）
这里α为温差系数，根据上面式子可以知道
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧
=-=-)..(..............................1)........().........(12121b dt
dE dt dT a E E T T αα
（7）
将（7）式代入（5）式，得到
dt
dE
E E h D
h D
mch
⋅
-++=))(2
(
)4
(
21λ （8） 三、实验仪器及说明：
1、仪器：DRL-Ⅱ导热系数测试仪
2、仪器概述：本仪器主要测试薄的热导体、固体电绝缘材料、导热树脂、氧化铍瓷、氧化铝瓷等陶瓷导热系数测定。

仪器参考标准：MTL-I-49456A （绝缘片材、导热树脂、热导玻纤增强）；GB 5598-85（氧化铍瓷导热系数测定方法）；D5470-95（薄的热导性固体电绝缘材料传热性能的测试标准）等。

DRL-Ⅱ导热系数测定仪以稳定导热原理为基础，在稳定状态下，单向热流垂直流过试样，通过测量试样上下两表面的温度，有效传热面积和厚度，即可计算试样的导热系数。

仪器主要用于测试薄的热导体、硅胶、硅橡胶、固体电绝缘材料、导热硅胶、导热树脂、氧化铍瓷、陶瓷基片、其他铝基片、陶瓷基板、氧化铝瓷等材料的导热系数。

仪器参考标准：MIL-I-49456A （绝缘片材、导热树脂、热导玻纤增强）；GB 5598-85（氧化铍瓷导热系数测定方法）；ASTM D5470-2006（薄的热导性固体电绝缘材料传热性能的测试标准）等。

四、DRL-Ⅱ导热系数测定仪主要参数 1、试样大小：≤Φ30mm 2、试样厚度：0.02-20mm
3、热极控温范围：室温-299.99℃ ,控温精度0.01℃
4、冷极控温范围：0-99.00℃,控温精度0.01℃
5、导热系数测试范围：0.01～50W/m*k,1～300W/m*k
6、热阻测试范围：0.05～0.000005m 2*K/W
7、测试精度：优于3%
8、试样可在真空状态下试验，确保测试环境及精度，真空度0.1MPa.
9、实验方式：a.材料导热系数测试。

b、接触热阻测试。

10、计算机全自动测试，并实现数据打印输出
五、实验结果分析：
导热系数测试结果报告
送检单位试样
类别
试样
数目
检测仪器DRL-Ⅱ导热系数
H仪
环境
温度
环境
湿度
有效传热面积检测
日期
测试
员
序号试样名称
试样
编号
平均温
度（℃）
热面
温度
（℃）
冷面
温度
（℃）
试样
厚度
（mm)
导热系
数
(W/mk)
热阻
(km2/w)
6 树脂
7 7-1 68.500 81.90 55.10 3.000 0.466 0.00644
7 树脂7 7-2 68.500 81.90 55.10 3.000 0.463 0.00648
8 树脂7 7-3 68.500 81.90 55.10 3.000 0.473 0.00634
9 树脂7 7-4 68.600 82.10 55.10 3.000 0.468 0.00641
10 树脂7 7-5 68.550 82.00 55.10 3.000 0.471 0.00637
11 树脂7 7-6 68.550 82.00 55.10 3.000 0.473 0.00634
本次实验采用的是树脂材料，仪器的设定温度为120℃。

仪器显示温度分别为上热极，试样上表面，试样下表面和下热极。

试样的厚度为3mm，试样的截面积为706.858mm。

结合分析，试样的导热系数为0.469w/mk。

实验三摩擦磨损实验
一、实验目的：测量材料运行时的摩擦磨损。

二、实验设备：HRS-2M型高速往复摩擦实验机
三、工作原理：本试验机适用于材料和零部件表面的摩擦磨损测试。

载荷范围宽、
滑动速度可调，能够准确地检测材料的摩擦系数、磨痕深度、表面轮廓和耐磨性，有针对性地对材料或零部件的润滑特性、表面处理及材料特性做出评估。

四、主要技术参数
序
号
项目技术指标
1 载荷范围1N～200N (100g～20kg) 精度:0.1 N
2 往复滑动频
率
1～60Hz (高:3600rpm)
3 滑动长度0.5～25mm（最长30m）
4 样品尺寸Φ5～60mm（最大直径：Φ100mm,高度：60mm）
5 样品厚度0.5mm～30mm
6 摩擦系统测
量精度
0.2％FS（满量程）
7 磨痕深度测
量范围
±1mm精度：0.1µm
8 选配件100g摩擦力传感器( 0.05N～1N )适用于微小载荷下材料
摩擦系数的测试
1000g摩擦力传感器( 0.1N～10N )
样品加热炉 (室温～300℃ )
用途：涂层、固态或液态的润滑脂、陶瓷、轴承和齿轮评价样品要求：金属或非金属块体材料、涂层等
五、实验原理：实验压力F=10N 400次/min 时间20min
运行长度5mm
影响u的因素：压力和速度。

实验磨损三阶段：跑合，稳定、剧烈 载荷传感器规格200N
根据摩擦系数的公式摩擦力为摩擦系数和载荷的乘积。

六、实验步骤：
首先调零、摩擦力1=0 载荷1=0 摩擦力2=0 载荷2=0 其次：启动运行 七、结果分析
摩擦系数
0.20.40.60.8
10.020.751.482.222.953.684.425.155.886.627.358.088.829.5510.31111.812.513.214
时间（min）
摩擦系数
摩擦系数
磨损形式有磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀等。

然而在实际运转条件下往往不止出现一种磨损形式，例如大功率柴油机轴瓦可能同时出现粘着磨损和气蚀。

与其他试验相比，磨损试验受载荷、速度、温度、周围介质、表面粗糙度、润滑和偶合材料等因素的影响更大。

试验条件应尽可能与实际条件一致,才能保证试验结果的可靠性。

在外载荷为20N 的情况下，由于外载荷比较大，导致摩擦过程的三个阶段的前两个阶段都比较小。

综合所有情况分析：在外载荷为5N 的时候，由于外载荷比较小，使得实验波动比较大，外载荷为10N 和15N 的时候三个磨损阶段比较明显。

转速不同得到的结果不同，具体原因如下：
一般地说，金属材料摩擦副在大气中干摩擦时，轻载下，摩擦系数随载荷的增大而增大，因为载荷增大将氧化膜挤破，导致金属直接接触。

不少的实验也证明，通常金属在滑动中，摩擦系数随载荷的增加而减小。

这是因为真实接触面积
的增大不如载荷增加得快。

因此载荷的影响需要根据研究对象的实际工况来分析。

一般情况下，摩擦系数随着滑动速度增加而升高，超过一极大值后，又随滑动速度的增加而减少。

当速度增大时，摩擦系数通过一个最大值，当压力增大时，该最大值对应于较小的速度值。

滑动速度对摩擦系数的影响，主要是摩擦引起温度的变化所致。

滑动速度引起的发热和温度的变化，改变了摩擦表面层的性质和接触状况。

因而摩擦系数必将随之变化。

实验四衍射实验
一、实验目的：1. 了解X 射线衍射仪的结构及工作原理
2. 熟悉X 射线衍射仪的操作
3. 掌握运用X 射线衍射分析软件进行物相分析的方法。

二、实验仪器本实验使用的仪器为：XD-3X射线衍射仪
三、实验原理：晶体结构可以用三维点阵来表示。

每个点阵点代表晶体中的一个基本单元，如离子、原子或分子等。

空间点阵可以从各个方向予以划分，而成为许多组平行的平面点阵。

因此，晶体可以看成是由一系列具有相同晶面指数的平面按一定的距离分布而形成的。

各种晶体具有不同的基本单元、晶胞大小、对称性，因此，每一种晶体都必然存在着一系列特定的 d 值，可以用于表征不同的晶体。

X 射线波长与晶面间距相近，可以产生衍射。

晶面间距 d 和X 射线的波长的关系可以用布拉格方程来表示2dsinθ＝nλ根据布拉格方程，不同的晶面，其对X 射线的衍射角也不同。

因此，通过测定晶体对X 射线的衍射，就可以得到它的X 射线粉末衍射图，与数据库中的已知X 射线粉末衍射图对照就可以确定它的物相。

四、实验步骤：
1.样品制备将待测粉末样品在试样架里均匀分布并用玻璃板压平实，使试样面与玻璃表面齐平
2.测试第一步：开机
1 打开墙体及主机电源，并按下主机启动按钮。

2 打开冷却循环水系统开关，使冷却水电导率在
3 以内，水温在 20-2
4 度范围内。

3 按下控制面板上的开真空按钮，使真空度降至 150mV 以下。

4 打开控制柜开关
5 打开电脑，在软件控制程序中开启 X 射线后执行预热至需要功率 预热时间为 1-1.5 小时。

第二步：装样 将装有待测粉末样品的试样架放置在测角仪中心的样品架上 第三步：测量 在电脑软件控制中，打开测量控制程序，设定实验参数如下表：Start Stop Sampling Scan Div DivH. Sct kV mA Recslitangle angle W. speed Slit L. Slit Slit20.000 80.000 0.020 10.000 40 100 1 deg. 10mm 1 deg. 0.15mm 设定好参数后，单击执行开始测量。

测量结束后，保存数据以待分析。

第四步：关机
1 利用软件控制程序，将管电压和管电流调至 36kV 、40mA 后，关闭 X 射线。

关闭电脑。

2 关闭控制柜开关。

3 关闭真空系统 。

4 关闭 X 射线 30min 之后关闭冷却循环水系统的开关。

5 关闭电源，实验结束。

五、实验结果分析 ： 衍射图
200
400
600
800
10
11.9
13.9
15.8
17.8
19.7
21.6
23.6
25.5
27.5
29.4
31.3
33.3
35.2
37.2
39.14143
44.9
46.9
48.8
50.7
52.7
54.6
56.6
58.5
60.4
62.4
64.3
66.3
68.2
70.1
72.17476
77.9
79.8
角度
长度
该衍射图可以看出衍射材料的大体的成分，测试样品为SmBaCo 1.2Fe 0.8O 5， 对照衍射峰可以大体看出材料的成分。

五、实验心得
这一次的实验课程主要有四个实验，虽然每个实验我们参与的也不是很多，但是从老师的讲解以及对实验仪器的相当审图的了解还是让我们学会了很多。

经过这次的测试技术实验,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验操作能力。

这次试验一共是四次，分别为热膨胀系数测定、材料的热导率测定、摩擦磨损系数测定、X射线衍射。

每个不同的实验的原理和设备都有不同，这就要求我们要有很多的准备时间。

前面三个都用到了传感器的原理来显示实验结果。

传感器与测试技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。

许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。

实验就是使学生加深理解所学基础知识，掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；具有测试系统的选择及应用能力；具有实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验技能的训练与分析能力的训练，使学生初步掌握测试技术的基本方法，具有初步独立进行机械工程测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深对理论知识的理解。

虽然动手的机会不多，但测试技术这门课程的一些理论知识和实践相结合，更加深刻了我对测试技术的认识，巩固了我的理论知识。

这次试验做的非常成功，而且每一次的实验我都有参与，所以对实验流程都有一定的了解。

但是我认为我们对这实验不够重视，还有就是实验安排的不够合理，这样的实验不应该安排在大四的时间来给我们做。

很多的同学都没有参与到实验中来，以及实验的时间安排比较稀松，延续时间较长。

收获最大的应该还是老师对实验原理，仪器使用原理的讲解，这在以后的实验以及工作中都能有比较大的帮助。

在实验课上学得的，我将发挥到其它中去，也将在今后的学习中不断提高、完善；在此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。

在今后的学习中有更大的收获!。