2022年材料热膨胀系数的发展以及影响因素 .pdf

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1、材料热膨胀系数的发展以及影响因素【摘要】 ：材料膨胀系数的选用对精密机械热误差修正的结果好坏有着决定性的影响。在工程实际中 , 各种手册或工。具书中提供的材料热膨胀系数均为在确定条件下的实验测得值, 并且不同参考资料上同种材料的热膨胀系数有较大的出入。文章系统地分析了影响材料热膨胀系数的参考值的主要因素, 指出热膨胀系数定义的差异, 测量方法的差异, 试样化学成分、加工方法和形体尺寸是影响参考值的主要因素。【关键词】 ：热误差修正 ; 热膨胀系数 ; 热变形。一、热膨胀系数的现状及价值物体的热膨胀现象在自然界普遍存在L 这种现象的存在, 给制造工业带来很多不利的影响 , 尤其在精密机械, 精密

2、仪器及测试技术中, 由于温度变化引起被加工和被测量对象的热变形对加工精度和测量精度的影响已越来越引起人们的重视L通常 , 衡量物体热变形的主要参数是组成该物体材料的热膨胀系数L 然而 , 传统的热膨胀系数精度不高, 为适应现代高精度的发展, 即超精加工、 超精测试特别是纳米技术的要求, 材料热膨胀系数的精度需要更加准确 L 因此 , 分析材料热膨胀系数的产生与发展, 研究提出未来高精度材料热膨胀系数的定义及其实现技术, 具有重要的科学意义和实用价值。二、 材料热膨胀系数定义差异的影响物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p 一定 ) 下，单位温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数表示

3、热膨胀系数=V/(V* T). 式中 V 为所给温度变化T 下物体体积的改变，V 为物体体积严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求 V 与 T 无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。温度变化不是很大时， 就成了常量，利用它， 可以把固体和液体体积膨胀表示如下：Vt=V0(1+3 T) ，而对理想气体，Vt=V0(1+0.00367 T) ；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - -

4、 - - - - Vt、V0分别为物体末态和初态的体积对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有Mrozowski算式： =A c+(1-A)a a, c 分别为a 轴和 c 轴方向的热膨胀率，A 被称为“结构端面”参数。三、 存在的问题与未来展望从以

5、上论述可以看出, 材料的热膨胀系数经历了由经典的理论热膨胀系数到采用一维杆件的传统热膨胀系数的测定, 再进一步发展为采用球体作为测定试样, 这样 , 使热膨胀系数的测定逐步科学合理, 从而可以适应现代精密工程需要Z本文提出的以球体直径的热变形来定义热膨胀系数, 但在实际形体高精度的热变形误差计算中除了要有精确的热膨胀系数外, 更重要的是要研究在不同边界条件下形体的热变形系数, 这样才能有效地利用误差修正技术 , 减小温度引起的误差, 提高测量系统的精度Z然而 , 对于形状千变万化的机械零件形体 , 其每个尺寸参数的热变形系数均受到其它各个参数的影响Z若要求计算所有尺寸的热变形系数 , 则是非常

6、复杂和极其困难的, 且一般情况下难以从理论上计算Z在实际应用中对于形状尺寸复杂的零件的热变形系数可采用下列方法计算: 先利用球体的热变形系数作为科学热膨胀系数 A0 , 然后通过实验手段计算出简单形体( 如圆盘、圆环、立方体) 的相近尺寸因子K 近似代替实际零件的尺寸因子K , 最后将 A0 乘以K 即可较准确地求得零件的热变形系数 Z总而言之 , 材料热膨胀系数的计算正不断向着更高精度的方向发展, 但由于理论研究和实验手段尚不完善, 复杂零件热变形的精确计算仍十分困难Z为了适应现代精密工程需要, 必须进一步深入地开展研究, 以便在不太长的时间内解决这一难题Z。四、试样的质量百分数差异的影响工

7、业纯铁常被选为金属材料热物性测量的标准试样。因为它是均匀的各向同性, 热物性能长期保持稳定, 易于加工, 价格便宜, 且能适用于比较宽的温度范围。工业纯铁是工业上一般应用的、纯度通常为9918 %9919 %的铁, 但各国间纯铁的质量百分数要求并不是统一名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 的。SRM1464 是美国国家标准局推荐作为准参考物质的电解铁, 而阿姆科铁是美国阿姆科(Armco) 公司生产的一种工业纯铁,

8、DT7 是我国按YB200 - 75生产的电子管工业纯铁, 而鞍山钢铁公司自行标定的标准试样工业纯铁。由此可知, 同一材料在不同国家、同一国家的不同行业甚至不同企业, 所含质量百分数都可能不一致。 试样质量百分数的差异必然会导致热物特性的差异, 进而导致热膨胀系数在数值上的差异。五、 加工方法造成热膨胀系数值的差别同材料同形状同尺寸的试样, 由于加工成型方法的不同, 会造成试样热膨胀系数的变化, 主要是由于加工方法的差别, 造成了试样内部各个组成部分的结构和应力状况的变化。引用美国铸钢手册( 第五版 ) 两组数据 , 可较好的看到这些变化。每种材料最后分别经过不同的热处理加工工序成型, 这使得

9、其平均热膨胀系数发生变化。各材料在经过热处理工序后不同, 材料的平均热膨胀系数发生了较大变化, 且测量温度范围越窄 , 变化值越大。 这主要是由于材料精确热膨胀系数在加工方法不同后产生的变化引起的 , 在温度范围越小, 该变化通过平均热膨胀系数反映的就越明显。零件磨削或表面淬火后, 各个尺寸的变形系数都比退火后的热变形系数小。这是因为磨削或表面淬火后零件的应力都呈压应力, 而退火后 , 零件的残余应力基本被去除, 从而导致了变形情况的差异。这种差异在材料热膨胀系数的测量过程中同样存在。因此即使测算中应用同样的定义, 这样的化学成分和形体尺寸高度一致, 也有可能因为不同的加工工艺而导致材料热膨胀

10、系数的测量结果不一致。六、 试样形状尺寸的影响试样形状尺寸对获得的材料热膨胀系数值的影响已被国内外众多实验所证明。由于在过去工程应用精度没有发展到目前的高精度, 故其影响往往被忽略而未得到科研工作者的足够重视。各国测量材料若变形系数中的标准试样的几何尺寸不尽相同, 因此会导致测量结果在数值上的不一致。 在此选不同形体尺寸的黄铜试件的实验结果来说明试样的形状尺寸对材料热膨胀系数测量影响程度。可清楚看到在同长度不同直径的材料对于材料精确热膨胀系数所产生的差别。事实上, 为了提高热膨胀系数的准确度, 许多国家都建立了本国的热物性测试方法、装置的国家标准和工业标准 , 如美国的 ASTM 、日本的 J

11、 IS 、德国的 DIN、英国的 BS 等, 并提供一批标准样品或参考试样 5 。各国标准都存在着一定的差异。各国在规范试样标准尺寸方面, 不同时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 代制定的标准也会有所不同, 如我国在 1984 年的国家标准 GB4339 - 84 中规范试件长度在80mm 以上时 , 直径为 5mm; 长度不是 80mm 时, 直径应为长度的1/ 16 。而在 1999 年的 GB/ T4339

12、- 1999 标准中规范试样尺寸为最小长度为(25 011) mm , 横向尺寸在 3 10mm 之间。发生变化的主要原因是随着计算机、红外、激光、微电子技术、光声技术等新技术在热物性测试技术上越来越广泛的应用, 使测试的准确度和精度不断提高, 测试功能不断扩大, 从而使得试样尺寸和体积小型化。七、小结实验中人为因素对实验结果影响同样不可忽视, 而且测量方法不同, 人的因素对结果的影响程度也不一样; 环境因素的影响包括室温、振动、 噪音、 辐射等都会使测量结果产生变化。 在工程应用中, 简单的引用手册中用一定形状尺寸的试样所测出的热膨胀系数数据进行不同形状尺寸零件的热变形计算其误差是较大的。由于影响热膨胀系数测量值的因素很多, 而任何手册或资料上给出的参考值都是特定条件下的测量值, 因此工程中应根据实际情况选用 , 从而提高热误差的修正精度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -