金属线膨胀系数的测量.docx

金属线膨胀系数的测量轻院实验 绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造 成的这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中， 都应考虑到否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度考虑失当，甚至会造成工程的损毁， 仪器的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等实验目的】1、学习测量金属线膨胀系数的一种方法2、学会使用千分表实验仪器】FB712型金属线膨胀系数测量仪实验装置如图1、图2所示：图1金属线務胀系数测定仪测试架结构示盍图【实验原理】材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长线胀系数是选用材料的一项重 要指标特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定固体受热后其长度的增加称为线膨胀经验表明，在一定的温度范围内，原长为L的物体，受热后其伸长量AL与其温度的增加量At近似成正比，与原长L亦成正比，即：AL = a • L • A （1）式中的比例系数«称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）大量实验表明，不同材料的线 胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小殷钢和石 英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。

几种材料的线胀系数材料铜、铁、铝普通玻璃、陶瓷殷钢熔凝石英数量级X 10 - 5（oC） -1X 10 - 6（oC） -1< 2 X10-6（0C）-1X 10 -7（0C）-1实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变另外还发现线膨胀系数与材料纯度有关，某些材料掺杂后，线膨胀系数变化很大因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状由（1）式可知，测量出时杆长L、 受热后温度从ti升高到t2时的伸长量AL和受热前后的温度升高量At（ At = t2 - ti），则该材料在（t , t ）温度区域的线胀系数为： 2 1122)AL(L - At)其物理意义是固体材料在（t , t ）温度区域内，温度每升高一度时材料的相对伸长量, 12其单位为 （0 C）-1测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量 AL我们先粗估算一下AL的大小，若L二250mm，温度变化t -1沁1OOoC，金属的a数量级为x 10-5（oC）-i，则估算出21AL = L-At沁0.25mm。

对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不 准的可采用千分表（分度值为0.001mm ）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等 方法本实验用千分表（分度值为0.001mm ）测微小的线胀量实验内容】 1．把样品空心铜棒、铝棒安装在测试架上在室温下用米尺重复测量金属杆的原有长度 2~3次，记录到表1中，求出L原有长度的平均值2．如图1、图2 所示，安装好实验装置，连接好加热皮管，打开电源开关，以便从仪器面 板水位显示器上观察水位情况水箱容积大约为750ml3 . 加水步骤:先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖，用漏斗从加水口往统内 加水，管路中的气体将从溢水管口跑出，直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮，其余都转 变为绿灯时，可以先关闭溢水管口塑料盖接着可以按下强制冷却按钮，让循环水泵试运行， 由于系统内可能存在大量气泡，造成水位计显示虚假水位，只有利用循环水泵试运行过程， 把系统内气体排出，这时候水位下降，仪器自动保护停机说明：为了保护加热器不损坏， 仪器设有自动保护装置，只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却，系统水位过低、缺水 将自动停机因此，在虚假水位显示已满的情况下，采用反复启动强制冷却按钮，利用循 环水泵的间断工作把管路中的空气排除,即启动强制冷却按钮一自动停机一再加水的反复过 程，直到最终系统的水位计稳定显示，水位计只剩上方一个红灯未转变为绿灯，此时必须停 止加水，以防水从系统溢出，流淌到实验桌上。

接下来即可进行正常实验，实验过程中发现 水位下降，应该适时补充4 ．设置好温度控制器加热温度，一般加热温度（水温）设定值应该比金属管所需要的实验 温度值高1 ~50C，具体可根据温度的高低，决定温度提高量5．将铜管（或铝管）对应的测温传感器信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相连 接将千分尺装在被测介质铜管（或铝管）的自由伸缩端固定位置上，使千分表测试端与被 测介质接触，为了保证接触良好，一般可使千分表初读数为0.2mm左右，只要把该数值作 为初读数对待，不必调零 （如认为有必要，可以通过转动表面，把千分尺主指针读数基本 调零，而副指针不能调零 ）6 ．正常测量时，可以把不测量的测件的水龙头关闭，可节约能源，缩短加热时间实验时， 按下加热按钮（高速或低速均可，但低速档由于功率小，一般最多只能加热到5OoC左右）， 观察水温和被测金属管温度的变化，直至金属管温度等于所需温度值（350C ）7 ．测量并记录数据：当被测介质温度为 350C 时，读出千分表数值 L ，记入表 2 中接着在温度为35400C, 450C, 500C, 550C, 600C, 650C, 700C 时， 记录对应的千分表读数L , L , L , L , L , L , L40 45 50 55 60 65 708 .用逐差法求出温度每升高5oC金属棒的平均伸长量，由(2)式即可求出金属棒在(35oC, 7OoC )温度区间的线膨胀系数。

数据记录】数据记录1：测量次数.・123平均值铜棒有效长度缶m )铝棒有效长度)数据记录2：(C)样品温度W3540455055606570测铜棒千分表读数测铝棒千分表毁数用逐差法处理数据：(也可以用最小二乘法处理) 计算a铜、计算a铝附几种纯金属材料的线膨胀系数：物质名称 温度范围(0C ) 线膨胀系数x 10-6 (oC)-1纯 铝 O ~ 1OO 23.8纯 铜 0 ~ 100 17.1注：由于材料提炼和加工的难度，例如纯铝几乎无法进行机械加工，所以一般使用的材料多非纯金属，所以以上参数并非标准数据而实际使用的金属材料的线膨胀系数比纯金属要小10% ~ 15%，铜合金约为 1.4x 10-5(oC)-1，铝合金约为2.0x 10-5(oC)-1轻院实验。