材料熱膨脹系數(shù)

材料熱膨脹系數(shù)第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

目錄一．目的意義二．材料的熱膨脹系數(shù)三．材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法四．示差法的測(cè)定原理五．實(shí)驗(yàn)過(guò)程六．主要影響因素討論七．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日一．目的意義熱膨脹物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。熱膨脹系數(shù)是材料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。提高材料的熱穩(wěn)定性降低材料的線膨脹系數(shù)，提高材料的熱穩(wěn)定性，提高材料的使用安全性。提高材料的強(qiáng)度如果層狀物由兩種材料迭置連接而成，則溫度變化時(shí)，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中要采用一中間膨脹值，從而使一種材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力而另一種材料中產(chǎn)生大小相等的張應(yīng)力，恰當(dāng)?shù)乩眠@個(gè)特性，可以增加制品的強(qiáng)度。例：夾層玻璃第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日目的意義焊接或熔接當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，都要求二種材料具備相近的膨脹系數(shù)。如兩種不同金屬的焊接，玻璃儀器的焊接加工，在電真空工業(yè)和儀器制造工業(yè)中廣泛地將非金屬材料（玻璃、陶瓷）與各種金屬焊接，也要求兩者有相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)。如果選擇材料的膨脹系數(shù)相差比較大，焊接時(shí)由于膨脹的速度不同，在焊接處產(chǎn)生應(yīng)力，降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度和氣密性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日目的意義

合理使用材料精密儀器（小型、大型），選用膨脹系數(shù)小的材料

例：大型加工機(jī)械水泥路面鋼鐵大橋水泥大橋大型建筑物

……因此，測(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

二．材料的熱膨脹系數(shù)

材料的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。熱膨脹通常用熱膨脹系數(shù)表示。

1.體積膨脹系數(shù)（αV）：

相當(dāng)于溫度升高1時(shí)物體體積的相對(duì)增大值。

由于總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的每個(gè)粒子都在振動(dòng)。

當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)，由于溫度升高，每個(gè)粒子的熱能增大，導(dǎo)致振幅也隨之增大，由（非簡(jiǎn)諧）力相互結(jié)合的兩個(gè)原子之間的距離也隨之增大，物質(zhì)就發(fā)生膨脹。

物質(zhì)的熱膨脹是由非簡(jiǎn)諧（非線性）振動(dòng)引起的。第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

設(shè)試體為一立方體，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)。當(dāng)溫度從T1上升到T2時(shí)，體積也從V1上升到V2，體膨脹系數(shù)

由于膨脹系數(shù)一般比較小，可忽略高階無(wú)窮小。取一級(jí)近似：

β=3α在測(cè)量技術(shù)上，體膨脹比較難測(cè)，通常應(yīng)用以上關(guān)系來(lái)估算材料的體膨脹系數(shù)β，已足夠精確。第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.線膨脹系數(shù)（αL）：在實(shí)際工作中一般都是測(cè)定材料的線熱膨脹系數(shù)。所以對(duì)于普通材料，通常所說(shuō)膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)。

線膨脹系數(shù)是指溫度升高1℃后，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。

設(shè)試體在一個(gè)方向的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。當(dāng)溫度從T1上升到T2時(shí)，長(zhǎng)度也從L1上升到L2，則平均線膨脹系數(shù)第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日無(wú)機(jī)材料的線膨脹系數(shù)一般都不大，數(shù)量級(jí)約為10-5-10-6/K。實(shí)際上，無(wú)機(jī)非金屬材料的體積膨脹系數(shù)αV、線膨脹系數(shù)αL并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度稍有變化，通常隨溫度升高而增大。

瞬時(shí)線膨脹系數(shù)為第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日幾種無(wú)機(jī)材料的熱膨脹曲線第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日如果金屬在加熱或冷卻的過(guò)程中發(fā)生相變，由于不同組成的比容差異，將引起熱膨脹的異常，這種異常的膨脹系數(shù)為研究材料中的組織轉(zhuǎn)變提供了重要的信息。研究金屬熱膨脹的另一方面興趣來(lái)自于儀表對(duì)材料熱膨脹性能的特殊要求。例如，作為尺寸穩(wěn)定零件的微波設(shè)備諧振腔、精密計(jì)時(shí)器和宇宙航行雷達(dá)天線等，都要求在氣溫變動(dòng)范圍內(nèi)具有一定的膨脹系數(shù)的合金；電真空技術(shù)中為了與玻璃、陶瓷、云母、人造寶石等氣密封接要求具有很低膨脹系數(shù)的合金；用于制造熱敏性元件的雙金屬卻要求高膨脹合金。這就需要研究化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)對(duì)合金膨脹系數(shù)的影響。第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)原子熱振動(dòng)概念的熱容理論，格留涅辛進(jìn)行計(jì)算。在沒(méi)有相變時(shí)，膨脹系數(shù)隨溫度的升高連續(xù)增大。但對(duì)鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬，在溫度靠近居里溫度時(shí)，膨脹系數(shù)出現(xiàn)明顯的反常。其中鎳和鈷的膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)值高于理論值，如圖5-17所示，稱為正反常，而鐵的實(shí)驗(yàn)值低于理論值，稱為負(fù)反常。第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日相變研究是材料科學(xué)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究工作，而相變臨界點(diǎn)的測(cè)定對(duì)于每一個(gè)新鋼種（或合金）總是不可缺少的。以鋼鐵為例，由于在加熱和冷卻過(guò)程中存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)，因而采用膨脹的測(cè)量來(lái)確定變相溫度是一個(gè)很有效的方法。根據(jù)膨脹曲線來(lái)確定鋼中ar轉(zhuǎn)變溫度。取熱膨脹曲線上偏離純熱膨脹的點(diǎn)a、c對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。b、d對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。取加熱與冷卻曲線上的四個(gè)極值點(diǎn)a’、b’、d’、c’對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日三．材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法

人類很早（十八世紀(jì)）就測(cè)定固體的熱膨脹。當(dāng)時(shí)的測(cè)定裝置很原始：水平放置約15厘米長(zhǎng)的試樣，下面點(diǎn)燃幾支蠟燭加熱，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)放大來(lái)確定試樣長(zhǎng)度的變化。十九世紀(jì)到現(xiàn)在，人們創(chuàng)造了許多測(cè)定方法。上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光法，出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)控制或記錄處理測(cè)定數(shù)據(jù)的測(cè)量?jī)x器。測(cè)定無(wú)機(jī)非金屬材料熱膨脹系數(shù)常用：千分表法、熱機(jī)械法（光學(xué)法、電磁感應(yīng)法）、體積法等。它們的共同點(diǎn)都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過(guò)頂桿將膨脹傳遞到檢測(cè)系統(tǒng)。不同之處在于檢測(cè)系統(tǒng)。第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日千分表法是用千分表直接測(cè)量試樣的伸長(zhǎng)量。

光學(xué)熱機(jī)械法是通過(guò)頂桿的伸長(zhǎng)量來(lái)推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)光學(xué)放大系統(tǒng)而使光點(diǎn)在影屏上移動(dòng)來(lái)測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量。

電磁感應(yīng)熱機(jī)械法是將頂桿的移動(dòng)通過(guò)天平傳遞到差動(dòng)變壓器，變換成電訊號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量出試樣的伸長(zhǎng)量。根據(jù)試樣的伸長(zhǎng)量就可計(jì)算出線膨脹系數(shù)。 ΔL/L0=alΔt試樣規(guī)格為直徑3-8mm，長(zhǎng)度10-20mm的圓棒。

第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日立式膨脹儀是將試樣安放在一端封閉的石英管底部，使其保持良好的接觸，試樣的另一端通過(guò)一個(gè)石英頂桿將膨脹引起的位移傳遞到千分表上，即可讀出不同溫度下的膨脹量。第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自制立式膨脹儀第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自制立式膨脹儀（智能型）第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日臥式膨脹儀

第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D43-3示差法測(cè)定材料膨脹系數(shù)的裝置１—

測(cè)溫?zé)犭娕?；２—膨脹儀電爐；３—電熱絲；４—電流表；５—調(diào)壓器；６—電爐鐵殼；７—銅柱電爐芯；８—待測(cè)試棒；９—石英玻璃棒；１０—石英玻璃管；１１—遮熱板；１２—鐵制支承架；１３—千分表；１４—水瓶；１５—水銀溫度計(jì)；１６—電位差計(jì)。四．示差法的測(cè)定原理（石英膨脹儀）第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D43-1石英膨脹儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱膨脹分析圖示差法的測(cè)定原理由于玻璃的膨脹系數(shù)一般是石英的膨脹系數(shù)一般是兩者的膨脹差可以測(cè)定。第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日因?yàn)棣敛ＡЗ儲(chǔ)潦?/p>

所以ΔL1﹥?chǔ)2

千分表的指示為

ΔL

=ΔL1–ΔL2

玻璃的凈伸長(zhǎng)

ΔL1=ΔL–ΔL2按定義，玻璃的膨脹系數(shù)注：只要材料的膨脹系數(shù)小于石英的膨脹系數(shù)的處理，如：金屬、無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)材料……，都可用這種膨脹儀測(cè)定。第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

玻璃的線膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)。石英玻璃的平均線膨脹系數(shù)（按下列溫度范圍取值）；5.7×10-7度-1（０～３００℃）5.9×10-7度-1（０～４００℃）5.8×10-7度-1(０～１０００℃)5.97×10-7度-1

（２００～７００℃）

因此，材料的平均線膨脹系數(shù)應(yīng)標(biāo)明溫度范圍，如:

α(0～300)=5.7×10-7/k

α(0～1000)=5.8×10-7/k

第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日五．實(shí)驗(yàn)過(guò)程試樣加工試樣切割試樣研磨第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)過(guò)程關(guān)鍵操作試樣安裝第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.試樣加工與安裝2.玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響

淬火：玻璃成形后快速冷卻

精密退火：玻璃成形后緩慢冷卻2.加熱速度對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響

在測(cè)定玻璃線膨脹系數(shù)時(shí)的升溫速度。六．主要影響因素討論第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

玻璃的熱歷史對(duì)其膨脹系數(shù)有重要的影響。退火玻璃曲線發(fā)生曲折是由于溫度超過(guò)Tg以后，伴隨玻璃轉(zhuǎn)變發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，膨脹更加劇烈。至于急冷玻璃，是由于試樣存在熱應(yīng)變，在某溫度以上開(kāi)始出現(xiàn)弛豫的結(jié)果。玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日加熱速度是個(gè)極重要的因素。玻璃快速加熱時(shí)，性質(zhì)來(lái)不及反映該溫度的最終值?？?tīng)柤{（O.Koeyner）和沙爾芒（H.Salmang）在研究硅酸鹽的玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有以5℃/分鐘的加熱速度，加熱試樣時(shí)，才能清楚地看到Tg。同樣試樣，如果以8℃/分鐘的加熱速度，加熱試樣時(shí)，Tg根本不顯現(xiàn)。在這種情況下，玻璃在略低于Tg溫度下就開(kāi)始軟化，在膨脹曲線上沒(méi)有突變。Ⅰ.加熱速度5℃/分鐘Ⅱ.加熱速度8℃/分鐘Ⅲ.加熱速度？℃/分鐘加熱速度對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日加熱速度減慢，Tg下降。對(duì)于“堿-鈣-硅玻璃”，M-符爾達(dá)（M.Fulda）得到下列數(shù)據(jù)：