材料热膨胀系数测定

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。
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）：
几种无机材料的热膨胀曲线
• 如果金属在加热或冷却的过 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。
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杆的伸长量来推动光学系统内的反 射镜转动经光学放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的 伸长量。
电磁感应热机械法是将顶杆的移动通过天平传递到差动变压 器，变换成电讯号，经放大转换，从而测量出试样的伸长量。 根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。
ΔL / L0 = al Δt 试样规格为直径3-8mm，长度10-20mm的圆棒。
立式膨胀仪是将试样 安放在一端封闭的石英管 底部，使其保持良好的接 触，试样的另一端通过一 个石英顶杆将膨胀引起的 位移传递到千分表上，即 可读出不同温度下的膨胀 量。
(０～１０００℃)
5.97×10-7度-1
（２００～７００℃）
因此，材料的平均线膨胀系数应标明温度范围， 如:
α( 0～300 ) = 5.7×10-7 / k
α( 0～1000 ) = 5.8×10-7 / k
五．实验过程
试样 切割
试样 研磨
试样加工
实验过程关键操作
试样安装
六．主要影响因素讨论
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。
至于急冷玻璃， 是由于试样存在热应 变，在某温度以上开 始出现弛豫的结果。
加热速度对玻璃线膨胀系数的影响
• 加热速度是个极重要的因素。玻 璃快速加热时，性质来不及反映 该温度的最终值。
• 柯尔纳（O.Koeyner）和沙尔芒 （H.Salmang）在研究硅酸盐的 玻璃时发现，只有以 5 ℃/分钟 的加热速度，加热试样时，才能 清楚地看到Tg 。
2. 取加热与冷却曲线上的四个极 值点a’、 b’ 、d’ 、 c’对应的温 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。
1. 试样加工与安装 2. 玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响
淬火：玻璃成形后快速冷却 精密退火：玻璃成形后缓慢冷却 2. 加热速度对玻璃线膨胀系数的影响 在测定玻璃线膨胀系数时的升温速度。
玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响
玻璃的热历史对 其膨胀系数有重要的 影响。
退火玻璃曲线发 生曲折是由于温度超 过 Tg 以 后 ， 伴 随 玻 璃转变发生结构变化， 膨胀更加剧烈。
加热速度 0.5
1
5
9
℃/分钟
转变温度 468
479
493 499
℃
这是由于玻璃快速加热时，性质来不及反 映该温度下的最终值。
七．实验数据处理 绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度。
实验数据处理
在图上求玻璃的转变温度Tg和软化点温度Tf。 以3个试样的平均值表示实验结果
理论讲述结束 大家动手做实验
• 同样试样，如果以 8 ℃/分钟的 加热速度，加热试样时， Tg根 本不显现。在这种情况下，玻璃 在略低于Tg 温度下就开始软化， 在膨胀曲线上没有突变。
Ⅰ. 加热速度5℃/分钟 Ⅱ. 加热速度8℃/分钟 Ⅲ. 加热速度？℃/分钟
• 加热速度减慢， Tg下降。
• 对于“碱-钙-硅玻璃”，M-符尔达（M.Fulda） 得到下列数据：
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。
自制立式膨胀仪
自制立式膨胀仪（智能型）
卧式膨胀仪
四．示差法的测定原理（石英膨胀仪）
图43-3 示差法测定材料膨胀系数的装置 １— 测温热电偶；２—膨胀仪电炉；３—电热丝；４—电流表；５—调压器；
６—电炉铁壳；７—铜柱电炉芯；８—待测试棒；９—石英玻璃棒； １０—石英玻璃管；１１—遮热板；１２—铁制支承架；１３—千分表；
• 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a r 转变 温度。
1. 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。
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
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
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。
按定义，玻璃的膨胀系数
注：只要材料的膨胀系数小于石英的膨胀系数的处理，如： 金属、 无机非金属、有机材料……，都可用这种膨胀仪测定。
玻璃的线膨胀系数与温度有关。
石英玻璃的平均线膨胀系数（按下列温度范围取值）；
5.7×10-7度-1
（０～３００℃）
5.9×10-7度-1
Байду номын сангаас
（０～４００℃）
5.8×10-7度-1
• 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应力， 恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。
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
１４—水瓶；１５—水银温度计； １６—电位差计。
示差法的测定原理
由于玻璃的膨胀系数一般是 石英的膨胀系数一般是
两者的膨胀差可以测定。
图43-1 石英膨胀仪内部结构热膨胀分析图
因为 α玻璃 ﹥ α石英
所以 ΔL1 ﹥ ΔL2
千分表的指示为 ΔL = ΔL1 – ΔL2
玻璃的净伸长 ΔL1 = ΔL – ΔL2