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1、膨胀系数测定讲义本讲稿第一页，共三十五页目目 录录一目的意义一目的意义二材料的热膨胀系数二材料的热膨胀系数三材料热膨胀系数的检测方法三材料热膨胀系数的检测方法四示差法的测定原理四示差法的测定原理五实验过程五实验过程六主要影响因素讨论六主要影响因素讨论七实验数据处理七实验数据处理本讲稿第二页，共三十五页一目的意义热膨胀热膨胀 物物体体的的体体积积或或长长度度随随温温度度的的升升高高而而增增大大的的现现象象称称为为热热膨膨胀胀。热热膨膨胀胀系系数数是是材材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性热稳定性好坏的一个重要指标。好坏的一个重要指标。提高材料的热稳定

2、性提高材料的热稳定性 降低材料的线膨胀系数，提高材料的降低材料的线膨胀系数，提高材料的热稳定性，热稳定性，提高材料的使用提高材料的使用安全性安全性。提高材料的强度提高材料的强度 如如果果层层状状物物由由两两种种材材料料迭迭置置连连接接而而成成，则则温温度度变变化化时时，由由于于两两种种材材料料膨膨胀胀值值不不同同，若若仍仍连连接接在在一一起起，体体系系中中要要采采用用一一中中间间膨膨胀胀值值，从从而而使使一一种种材材料料中中产产生生压压应应力力而而另另一一种种材材料料中中产产生生大大小小相相等等的的张张应应力力，恰恰当当地地利利用用这这个个特特性性，可可以以增增加加制制品品的强度的强度。例：夹

3、层玻璃例：夹层玻璃本讲稿第三页，共三十五页目的意义焊接或熔接焊接或熔接 当当两两种种不不同同的的材材料料彼彼此此焊焊接接或或熔熔接接时时，都都要要求求二二种种材材料料具具备备相相近近的的膨膨胀胀系系数。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。本讲稿第四页，共三十五页目的意义合理使用材料合理使用材料精密仪器（小型、大型），选用膨胀系数小

4、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因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的意义。本讲稿第五页，共三十五页二材料的热膨胀系数二材料的热膨胀系数 材材料料的的体体积积或或长长度度随随温温度度的的升升高高而而增增大大的的现现象象称称为为热热膨膨胀胀。热热膨膨胀通常用热膨胀系数表示。胀通常用热膨胀系数表示。1.体积膨胀系数体积膨胀系数（V）：相当于温度升高相当于温度升高1时物体体积的相对增大值。时物体体积的相对增大值。由由于于总总有有内内能能存存在在，物物质质的的每每个个粒粒子子都都在在振振动。动。当当物物质质受受热热时时，由由于于温温度度升

5、升高高，每每个个粒粒子子的的热热能能增增大大，导导致致振振幅幅也也随随之之增增大大，由由（非非简简谐谐）力力相相互互结结合合的的两两个个原原子子之之间间的的距距离离也也随随之之增增大大，物物质质就就发生膨胀。发生膨胀。物物质质的的热热膨膨胀胀是是由由非非简简谐谐（非非线线性性）振振动动引引起的起的。本讲稿第六页，共三十五页 设设试试体体为为一一立立方方体体，边边长长为为L。当当温温度度从从T1上上升升到到T2时时，体体积也从积也从V1上升到上升到V2，体膨胀系数，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：由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似：=3 在测量技

6、术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来估在测量技术上，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算材料的体膨胀系数，已足够精确。，已足够精确。本讲稿第七页，共三十五页2.2.线膨胀系数线膨胀系数（L）：在在实实际际工工作作中中一一般般都都是是测测定定材材料料的的线线热热膨膨胀胀系系数数。所所以以对对于于普普通通材材料料，通通常所说膨胀系数是指线膨胀系数。常所说膨胀系数是指线膨胀系数。线膨胀系数线膨胀系数是指温度升高是指温度升高11后，物体的相对伸长。后，物体的相对伸长。设设试试体体在在一一个个方方向向的的长长度度为为L。当当温温度度从从T1上上升升到到T2时时，长长度度也也从从L

7、1上上升升到到L2，则平均线膨胀系数，则平均线膨胀系数本讲稿第八页，共三十五页 无无机机材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数一一般般都都不不大大，数数量量级级约为约为10-5-10-6/K。实际上，无机非金属材料的实际上，无机非金属材料的体积膨胀系数体积膨胀系数V、线膨胀系数线膨胀系数L并不是一个常数，而是随温度稍有变化，通常随温度升并不是一个常数，而是随温度稍有变化，通常随温度升高而增大。高而增大。瞬时线膨胀系数为瞬时线膨胀系数为本讲稿第九页，共三十五页本讲稿第十页，共三十五页几种几种无机材料无机材料的热膨胀曲线的热膨胀曲线本讲稿第十一页，共三十五页本讲稿第十二页，共三十五页本讲稿第十三页，共三

8、十五页如果金属在加热或冷却的过程中发生如果金属在加热或冷却的过程中发生相变相变，由于不同组成的比容差异，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膨胀系数为研究材料中的组织转变提供了重要的信息。提供了重要的信息。研究金属热膨胀的另一方面兴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趣来自于仪表对材料热膨胀性能的特殊要求。能的特殊要求。例如，例如，作为尺寸稳定零件的微波设备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，都要求在气温变动雷达天线等，都要求在气温变动范围内具

9、有一定的膨胀系数的范围内具有一定的膨胀系数的合合金金；电真空技术中为了与玻璃、；电真空技术中为了与玻璃、陶瓷、云母、人造宝石等气密封陶瓷、云母、人造宝石等气密封接要求具有很低膨胀系数的接要求具有很低膨胀系数的合金合金；用于制造热敏性元件的双金属却用于制造热敏性元件的双金属却要求高膨胀要求高膨胀合金合金。这就需要研究化学成分和组织结构对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。膨胀系数的影响。本讲稿第十四页，共三十五页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。

10、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。常。其中镍和钴的膨胀系数实验值高于理论值，如图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所示，称为正反常，而铁的实验值低于理论值，称为负反常。值，称为负反常。本讲稿第十五页，共三十五页相变研究是材料科学中的一项基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）定对于每一个新钢种（或合金）总是不可缺少的。总是不可缺少的。以钢铁为例，

11、由于在加热和冷却过程中以钢铁为例，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。根据膨胀曲线度是一个很有效的方法。根据膨胀曲线来确定钢中来确定钢中a r 转变温度。转变温度。1.取热膨胀曲线上偏离纯热膨胀的取热膨胀曲线上偏离纯热膨胀的点点a、c 对应的温度为转变点。对应的温度为转变点。b、d对应的温度为转变点。对应的温度为转变点。2.取加热与冷却曲线上的四个极值点取加热与冷却曲线上的四个极值点a、b、d、c对应的温度为转变对应的温度为转变点。点。本讲稿第十六页，

12、共三十五页三材料热膨胀系数的检测方法三材料热膨胀系数的检测方法 人人类类很很早早（十十八八世世纪纪）就就测测定定固固体体的的热热膨膨胀胀。当当时时的的测测定定装装置置很很原原始始：水水平平放放置置约约15厘厘米米长长的的试试样样，下下面面点点燃燃几几支支蜡蜡烛烛加加热热，通通过过齿齿轮轮机机构构放放大大来来确确定定试试样样长度的变化。长度的变化。十十九九世世纪纪到到现现在在，人人们们创创造造了了许许多多测测定定方方法法。上上世世纪纪60年年代代出出现现了了激激光光法，出现了用计算机控制或记录处理测定数据的测量仪器。法，出现了用计算机控制或记录处理测定数据的测量仪器。测测定定无无机机非非金金属属

13、材材料料热热膨膨胀胀系系数数常常用用：千千分分表表法法、热热机机械械法法（光学法、电磁感应法）、体积法（光学法、电磁感应法）、体积法 等。等。它它们们的的共共同同点点都都是是试试样样在在加加热热炉炉中中受受热热膨膨胀胀，通通过过顶顶杆杆将将膨膨胀胀传传递递到到检测系统。不同之处在于检测系统。检测系统。不同之处在于检测系统。本讲稿第十七页，共三十五页 千分表法千分表法是用千分表直接测量试样的伸长量。是用千分表直接测量试样的伸长量。光学热机械法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射镜转动经光学

14、放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的伸长量。伸长量。电磁感应热机械法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。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。根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。L/L0 =al t 试样规格为直径试样规格为直径3-8mm，长度，长度10-20mm的圆棒。的圆棒。本讲稿第十八页，共三十五页 立式膨胀仪是将试样立式膨胀仪是将试样安放在一端封闭的石英管安放在一端封闭的石英管底部，使其保持良好的接底部，使其保持良好的接触

15、，试样的另一端通过一触，试样的另一端通过一个石英顶杆将膨胀引起的个石英顶杆将膨胀引起的位移传递到千分表上，即位移传递到千分表上，即可读出不同温度下的膨胀可读出不同温度下的膨胀量。量。本讲稿第十九页，共三十五页 自制立式膨胀仪自制立式膨胀仪本讲稿第二十页，共三十五页自制立式膨胀仪（智能型）自制立式膨胀仪（智能型）本讲稿第二十一页，共三十五页卧式膨胀仪卧式膨胀仪 本讲稿第二十二页，共三十五页图43-3示差法测定材料膨胀系数的装置测温热电偶；膨胀仪电炉；电热丝；电流表；调压器；电炉铁壳；铜柱电炉芯；待测试棒；石英玻璃棒；石英玻璃管；遮热板；铁制支承架；千分表；水瓶；水银温度计；电位差计。四示差法的测

16、定原理（四示差法的测定原理（石英膨胀仪石英膨胀仪）本讲稿第二十三页，共三十五页图43-1石英膨胀仪内部结构热膨胀分析图示差法的测定原理示差法的测定原理 由于玻璃的膨胀系数一般是由于玻璃的膨胀系数一般是石英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。两者的膨胀差可以测定。本讲稿第二十四页，共三十五页 因为因为 玻璃玻璃 石英石英所以所以 L1 L2 千分表的指示为千分表的指示为 L =L1 L2 玻璃的净伸长玻璃的净伸长 L1 =L L2按定义，玻璃的膨胀系数按定义，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

17、。本讲稿第二十五页，共三十五页玻璃的线膨胀系数与温度有关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）；石英玻璃的平均线膨胀系数（按下列温度范围取值）；5.710-7度度-1 （）5.910-7度度-1 （）5.810-7度度-1 ()5.9710-7度度-1 （）因此，材料的因此，材料的平均线膨胀系数应标明温度范围平均线膨胀系数应标明温度范围，如，如:(0300)=5.710-7/k (01000)=5.810-7/k本讲稿第二十六页，共三十五页五实验过程五实验过程试试 样样 加加 工工 试样试样切割切割 试样试样研磨研磨本讲稿第二十七页，共三十五页实验过程关键操

18、作实验过程关键操作试试 样样 安安 装装本讲稿第二十八页，共三十五页1.试样加工与安装试样加工与安装2.玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响 淬火淬火：玻璃成形后快速冷却 精密退火精密退火：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。六主要影响因素讨论六主要影响因素讨论本讲稿第二十九页，共三十五页玻璃的热历史对其玻璃的热历史对其膨胀系数有重要的影响。膨胀系数有重要的影响。退退火火玻玻璃璃曲曲线线发发生生曲曲折折是是由由于于温温度度超超过过Tg以以后后，伴伴随随玻玻璃璃转转变变发发生生结结构构

19、变变化化，膨膨胀胀更更加加剧烈。剧烈。至于急冷玻璃，至于急冷玻璃，是由于试样存在热应是由于试样存在热应变，在某温度以上开变，在某温度以上开始出现弛豫的结果。始出现弛豫的结果。玻璃的热历史玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响对玻璃线膨胀系数的影响本讲稿第三十页，共三十五页加热速度是个极重要的因素。玻加热速度是个极重要的因素。玻璃快速加热时，性质来不及反映璃快速加热时，性质来不及反映该温度的最终值。该温度的最终值。柯尔纳（柯尔纳（O.Koeyner）和和沙尔芒沙尔芒（H.Salmang）在研究硅酸盐的玻璃在研究硅酸盐的玻璃时发现，时发现，只有以只有以 5/分钟的加热速度，分钟的加热速度，加热试样时，

20、才能清楚地看到加热试样时，才能清楚地看到Tg 。同样试样，同样试样，如果以如果以 8/分钟的加热分钟的加热速度，加热试样时，速度，加热试样时，Tg根本不显现根本不显现。在这种情况下，玻璃在略低于在这种情况下，玻璃在略低于Tg 温度下就开始软化，在膨胀曲线上温度下就开始软化，在膨胀曲线上没有突变。没有突变。.加热速度加热速度5/分钟分钟.加热速度加热速度8/分钟分钟.加热速度加热速度？/分钟分钟加热速度加热速度对玻璃线膨胀系数的影响对玻璃线膨胀系数的影响本讲稿第三十一页，共三十五页加热速度减慢，加热速度减慢，Tg下降。下降。对于对于“碱碱-钙钙-硅玻璃硅玻璃”，M-符尔达（符尔达（M.Fulda）得到下列数据：得到下列数据：这是由于玻璃快速加热时，性质来不及反映该温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。度下的最终值。加热速度/分钟分钟0.5159转变温度468479493499本讲稿第三十二页，共三十五页七实验数据处理七实验数据处理 绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度。绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度。本讲稿第三十三页，共三十五页实验数据处理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本讲稿第三十四页，共三十五页理论讲述结束大家动手做实验本讲稿第三十五页，共三十五页