5材料热膨胀系数的测量

材料热膨胀系数的测量

一、实验目的

1、掌握PCY-3-1000型顶杆热膨胀仪的使用和软件操作；

2、使用热膨胀仪测量不同材料的线膨胀系数。

二．实验原理

材料线膨胀系数是物质的基本热物理参数之一，是表征材料性质的重要特征量。准确的测量材料线膨胀系数，对于基础科学研究、技术创新、工程应用都具有重要的意义。最近几年，世界各国对材料线膨胀系数的测量建立了大量的测试方法与装置，例如激光干涉膨胀仪、顶杆膨胀仪、衍射膨胀装置、显微膨胀装置和瞬态法等。通过比对，这些方法各有其优缺点，在实际生活生产中，我们根据不同的需要来选择不同的方法。本实验是用顶杆法测量材料的线膨胀系数。

线膨胀系数定义为物体在温度上升1℃时所增加的长度和原来长度之比，即： T

l l ∆∆=α 实验证明，不同材料的线膨胀系数是不同的，且同种材料在不同温度时的线膨胀系数也是不同的。通过实验测出物体伸长量∆l 和温度增加量∆T ，就可以算出线膨胀系数α。

PCY-3-1000型顶杆热膨胀仪的样品室示意图如下：

电炉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膨胀量（如果不计系统的热变形量），这一膨胀量由电感位移计精确测量出来，并由仪表显示且送计算机处理。因为仪器在实验升温的过程中，试样架、位移顶杆本身在温度作用下也会产生一定的位移，造成实验过程中的位移误差，因此需要考虑系统的补偿值。则膨胀系数为： T l k l t ∆-∆=α

补偿值k t应只是试样架及测试杆在相应温度下的综合膨胀值，所以应将试样在相应温度下的膨胀值，从测试数据中相应温度下的膨胀量中扣除后剩下的膨胀量即为仪器在相应温度下的补偿值k t。计算机和仪表显示的位移单位均为μm，计算机数据处理后显示的α值是通过自动系统补偿的计算结果。

三、实验内容和步骤

1、仪器上电

在仪器外部各线缆接好确认无误后，合上电源开关总闸，旋动仪器上的“电源开关”，此时仪器上电源指示灯点亮（红色指示灯），各仪表上电自检。仪表自检完成后温度控制表PV区会显示室温，SV区会显示跳动的“STOP”字样；而位移表PV区则会显示当前位移量，当试样架上没有放试样时，PV区可能会显示跳动的“ORAL”字样。

2、升温曲线程序编排设置

在温度控制表上，就进入了仪表升温曲线程序编排设置,仪表的PV区显示的是参数名，SV显示的是对应参数的参数值，此时通过

个参数的参数值后，再按面板上的可以跳到下一个参数。

例如，热膨胀系数测试时仪表升温曲线程序编排设置如下：

此处以从室温升温至300℃，然后恒温10分钟，对仪表升温曲线进行程序编排设置如表所示：

3、装填试样

推开炉膛，露出试样架；将准备好的圆柱体试样（事先测量好其长度）放入试样架，并使顶杆与试样横截面良好接触。推动炉膛，让试样架进入炉膛，当确定试样所处位置到达炉膛中心后停止推动炉膛，完成试样装填。

4、热膨胀系数测试：

启动测试软件，进入测试主界面，单击“热膨胀系数测试”按钮，进入热膨胀系数测试界面。在热膨胀系数测试界面中，将试样的实际长度数据填入“试样长度”对应的文本框，同时在“设定温度”对应的文本框中输入实验终止温度，并记录实验开始前的实际温度，点击“实验开始”，系统便开始进行测试。选取金属、陶瓷两种试样，分别测试它们的热膨胀系数。

5、实验数据备份：

每次退出测试软件时，系统会自动弹出一个窗体，在该窗体中只需要选择好备份数据将要存放目录的路径以及备份文件名，并单击“确定”即可。

四、数据记录和数据处理

1、记录原始数据并处理数据，其中初始温度为实验开始前的实际温度；

2、用Origin作图，图中横坐标为温度，纵坐标为线膨胀系数。并比较两种材料的线膨胀系数。

五、思考题

1、由实验结果说明固体材料的热膨胀系数是否与温度有关，如果有关，变化趋势如何？

2、实验中为什么要考虑对系统的补偿？