金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（FB712型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀絕大多數(shù)物質(zhì)都具有“熱脹冷縮”的特性，這是由于物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇或減弱造成的。這個(gè)性質(zhì)在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，在機(jī)械和儀器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都應(yīng)考慮到。否則，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度。考慮失當(dāng)，甚至?xí)斐晒こ痰膿p毀儀器的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．學(xué)習(xí)并掌握測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的一種方法。2．學(xué)會(huì)用千分表測(cè)量長(zhǎng)度的微小增量?！緦?shí)驗(yàn)儀器】銅棒或鋁棒（空心）銅棒鋁棒

掘度傳感器信號(hào)輸出插座圖1金屬銭膨脹系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試架結(jié)構(gòu)示盍圖FB712型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示：【實(shí)驗(yàn)原理】材料的線膨脹是材料受熱膨脹時(shí)，在一維方向的伸長(zhǎng)。線脹系數(shù)是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。特別是研制新材料，少不了要對(duì)材料線脹系數(shù)做測(cè)定。固體受熱后其長(zhǎng)度的增加稱為線膨脹。經(jīng)驗(yàn)表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，原長(zhǎng)為L(zhǎng)的物體，受熱后其伸長(zhǎng)量AL與其溫度的增加量At近似成正比，與原長(zhǎng)L亦成正比，即:FE7吃型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀規(guī)也 加搖電ifi［粉 加林電撤珀 堆迎畑圖2FRT2型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀面扳圖式中的比例系數(shù)o稱為固體的線膨脹系數(shù)(簡(jiǎn)稱線脹系數(shù))。大量實(shí)驗(yàn)表明，不同材料的線脹系數(shù)不同，塑料的線脹系數(shù)最大，金屬次之，殷鋼、熔融石英的線脹系數(shù)很小。殷鋼和石英的這一特性在精密測(cè)量?jī)x器中有較多的應(yīng)用。幾種材料的線脹系數(shù)材料銅、鐵、鋁普通玻璃、陶瓷殷鋼熔凝石英數(shù)量級(jí)x10-5(°C)-1x10-6(°C)-1<2x10-6(°C)-1x10-7(°C)-1實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，同一材料在不同溫度區(qū)域，其線脹系數(shù)不一定相同。某些合金，在金相組織發(fā)生變化的溫度附近，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)線脹量的突變。另外還發(fā)現(xiàn)線膨脹系數(shù)與材料純度有關(guān)，某些材料摻雜后，線膨脹系數(shù)變化很大。因此測(cè)定線脹系數(shù)也是了解材料特性的一種手段。但是，在溫度變化不大的范圍內(nèi)，線脹系數(shù)仍可認(rèn)為是一常量。為測(cè)量線脹系數(shù)，我們將材料做成條狀或桿狀。由(1)式可知，測(cè)量出時(shí)桿長(zhǎng)L、受熱后溫度從ti升高到t2時(shí)的伸長(zhǎng)量AL和受熱前后的溫度升高量At(At=t2-ti)，則該材料在(t,t)溫度區(qū)域的線脹系數(shù)為：122)AL2)(L?At)J溫度區(qū)域內(nèi)，溫度每升高一度時(shí)材料的相對(duì)伸長(zhǎng)量,其物理意義是固體材料在J溫度區(qū)域內(nèi)，溫度每升高一度時(shí)材料的相對(duì)伸長(zhǎng)量,1其單位為(°C)-1。測(cè)量線脹系數(shù)的主要問(wèn)題是如何測(cè)伸長(zhǎng)量AL。我們先粗估算一下AL的大小，若L二250mm,溫度變化t-1沁100C，金屬的o數(shù)量級(jí)為x10-5(°C)-1，估算21AL=L?At沁0.25mm。對(duì)于這么微小的伸長(zhǎng)量，用普通量具如鋼尺或游標(biāo)卡尺是測(cè)不準(zhǔn)的。可采用千分表(分度值為0.001mm)、讀數(shù)顯微鏡、光杠桿放大法、光學(xué)干涉法等方法。本實(shí)驗(yàn)就用千分表分度值為0.001mm千分表測(cè)微小的線脹量?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】1．把樣品空心銅棒、鋁棒安裝在測(cè)試架上。在室溫下用米尺重復(fù)測(cè)量金屬桿的原有長(zhǎng)度2~3次，記錄到表1中，求出L原有長(zhǎng)度的平均值。2．參照?qǐng)D1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，連接好加熱皮管，打開電源開關(guān)，以便從儀器面板水位顯示器上觀察水位情況。水箱容積大約為750ml。3.加水步驟:先打開機(jī)箱頂部的加水口和后面的溢水管口塑料蓋，用漏斗從加水口往系統(tǒng)內(nèi)加水，管路中的氣體將從溢水管口跑出，直到系統(tǒng)的水位計(jì)僅有上方一個(gè)紅燈亮，其余都轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈時(shí)，可以先關(guān)閉溢水管口塑料蓋。接著可以按下強(qiáng)制冷卻按鈕，讓循環(huán)水泵試運(yùn)行，由于系統(tǒng)內(nèi)可能存在大量氣泡，造成水位計(jì)顯示虛假水位，只有利用循環(huán)水泵試運(yùn)行過(guò)程，把系統(tǒng)內(nèi)氣體排出，這時(shí)候水位下降，儀器自動(dòng)保護(hù)停機(jī)。（說(shuō)明：為了保護(hù)加熱器不損壞，儀器設(shè)計(jì)了自動(dòng)保護(hù)裝置，只有水位正常狀態(tài)才能啟動(dòng)加熱或強(qiáng)制冷卻裝置，系統(tǒng)水位過(guò)低、缺水將自動(dòng)停機(jī)。）因此，在虛假水位顯示已滿的情況下，可采用反復(fù)啟動(dòng)強(qiáng)制冷卻按鈕,利用循環(huán)水泵的間斷工作把管路中的空氣排除,即啟動(dòng)強(qiáng)制冷卻按鈕f自動(dòng)停機(jī)一再加水的反復(fù)過(guò)程，直到最終系統(tǒng)的水位計(jì)穩(wěn)定顯示，水位計(jì)只剩上方一個(gè)紅燈未轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈，此時(shí)必須停止加水，以防水從系統(tǒng)溢出，流淌到實(shí)驗(yàn)桌上。接下來(lái)即可進(jìn)行正常實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水位下降，應(yīng)該適時(shí)補(bǔ)充。4．設(shè)置好溫度控制器加熱溫度:金屬管加熱溫度設(shè)定值可根據(jù)金屬管所需要的實(shí)際溫度值設(shè)置。5．將銅管（或鋁管）對(duì)應(yīng)的測(cè)溫傳感器信號(hào)輸出插座與測(cè)試儀的介質(zhì)溫度傳感器插座相連接。將千分尺裝在被測(cè)介質(zhì)銅管（或鋁管）的自由伸縮端固定位置上，使千分表測(cè)試端與被測(cè)介質(zhì)接觸，為了保證接觸良好，一般可使千分表初讀數(shù)為0.2mm左右，只要把該數(shù)值作為初讀數(shù)對(duì)待，不必調(diào)零。（如認(rèn)為有必要，可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)表面，把千分尺主指針讀數(shù)基本調(diào)零，而副指針無(wú)調(diào)零裝置。）．正常測(cè)量時(shí)，按下加熱按鈕（高速或低速均可，但低速檔由于功率小，一般最多只能加熱到50°C左右），觀察被測(cè)金屬管溫度的變化，直至金屬管溫度等于所需溫度值（例如35°C）。溫控器設(shè)置操作方法請(qǐng)參看【附錄1】?．測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為35°C時(shí)，讀出千分表數(shù)值L，記入表2中。接著在溫度為3540°C,45°C,50°C,55°C,60°C,65°C,70°C時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)的千分表讀數(shù)L,L,L,L,L,L,L40 45 50 55 60 65 70.用逐差法求出溫度每升高5°C金屬棒的平均伸長(zhǎng)量，由（2）式即可求出金屬棒在（35°C，70°C）溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)。【數(shù)據(jù)記錄及處理】數(shù)據(jù)記錄1：注意：有效長(zhǎng)度應(yīng)等于總長(zhǎng)度減去固定螺釘外的一小段（約5mm左右）。測(cè)量次數(shù)123平均值銅棒有效長(zhǎng)度Cm）鋁棒有效長(zhǎng)度（mm）數(shù)據(jù)記錄2：樣品溫度（°C）35 4045 5055 6065 70

測(cè)銅棒（千分表讀數(shù)LX10-6m丿i測(cè)鋁棒（千分表讀數(shù)Lx10-6m丿用逐差法處理數(shù)據(jù)：（也可以用最小二乘法處理）計(jì)算a、計(jì)算a線膨脹系數(shù)x10-6(°線膨脹系數(shù)x10-6(°C)-123.817.1純鋁 0~100純銅 0~100注：由于材料提煉和加工的難度，例如純鋁幾乎無(wú)法進(jìn)行機(jī)械加工，所以一般使用的材料多非純金屬，所以以上參數(shù)并非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。而實(shí)