材料热膨胀系数

        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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料的的主主要要物物理理性性质质之之一一，，它它是是衡衡量量材材料料的的热热稳稳定定性性好好坏坏的的一个重要指标一个重要指标•提高材料的热稳定性提高材料的热稳定性 降降低低材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数，，提提高高材材料料的的热热稳稳定定性性，，提提高高材材料料的的使使用用安全性安全性•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，，恰当地利用这个特性，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度可以增加制品的强度。

例：夹层玻璃例：夹层玻璃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膨胀系数的膨胀系数              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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。

         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热膨胀通常用热膨胀系数表示热膨胀通常用热膨胀系数表示 1. 体积膨胀系数体积膨胀系数（（αV））：： 相当于温度升高相当于温度升高1时物体体积的相对增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振动 当当物物质质受受热热时时，，由由于于温温度度升升高高，，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，，物质就发生膨胀物质就发生膨胀　　　　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））振振动引起的动引起的 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，，体积也从体积也从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：                                   β= 3α 在测量技术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来在测量技术上，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估算材料的体膨胀系数β，，已足够精确已足够精确2. 2. 线膨胀系数线膨胀系数（（αL））：： 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材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数 线线膨膨胀胀系系数数是是指指温温度度升升高高1℃1℃后后，，物物体体的的相相对对伸伸长 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，，长长度也从度也从L1上升到上升到L2 ，，则平均线膨胀系数则平均线膨胀系数 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，，数量级约为数量级约为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αV 、、线线膨胀系数膨胀系数αL并不是一个常数，而是随温度稍有变化，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通常随温度升高而增大 瞬时线膨胀系数为瞬时线膨胀系数为几种几种无机材料无机材料的热膨胀曲线的热膨胀曲线•如果金属在加热或冷却的过如果金属在加热或冷却的过程中发生程中发生相变相变，由于不同组，由于不同组成的比容差异，将引起热膨成的比容差异，将引起热膨胀的异常，这种异常的膨胀胀的异常，这种异常的膨胀系数为研究材料中的组织转系数为研究材料中的组织转变提供了重要的信息变提供了重要的信息•研究金属热膨胀的另一方面研究金属热膨胀的另一方面兴趣来自于仪表对材料热膨兴趣来自于仪表对材料热膨胀性能的特殊要求胀性能的特殊要求例如，例如，作为尺寸稳定零件的微波作为尺寸稳定零件的微波设备谐振腔、精密计时器和设备谐振腔、精密计时器和宇宙航行雷达天线等，都要宇宙航行雷达天线等，都要求在气温变动范围内具有一求在气温变动范围内具有一定的膨胀系数的定的膨胀系数的合金合金；电真；电真空技术中为了与玻璃、陶瓷、空技术中为了与玻璃、陶瓷、云母、人造宝石等气密封接云母、人造宝石等气密封接要求具有很低膨胀系数的要求具有很低膨胀系数的合合金金；；用于制造热敏性元件的用于制造热敏性元件的双金属却要求高膨胀双金属却要求高膨胀合金合金。

这就需要研究化学成分和组织结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构对合金膨胀系数的影响•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系数随温度的升高连续增大•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•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，而所示，称为正反常，而铁的实验值低于理论值，称为负反常铁的实验值低于理论值，称为负反常•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，而相变临界点的础研究工作，而相变临界点的测定对于每一个新钢种（或合测定对于每一个新钢种（或合金）总是不可缺少的金）总是不可缺少的•以钢铁为例，由于在加热和冷却以钢铁为例，由于在加热和冷却过程中存在同素异构转变，产过程中存在同素异构转变，产生明显的体积效应，因而采用生明显的体积效应，因而采用膨胀的测量来确定变相温度是膨胀的测量来确定变相温度是一个很有效的方法。

根据膨胀一个很有效的方法根据膨胀曲线来确定钢中曲线来确定钢中a r 转变温转变温度1.取热膨胀曲线上偏离纯热膨胀取热膨胀曲线上偏离纯热膨胀的点的点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取加热与冷却曲线上的四个极值点值点a’、、 b’ 、、d’ 、、 c’对应的温对应的温度为转变点度为转变点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放大来确定试样长度的变化构放大来确定试样长度的变化 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法，出现了用计算机控制或记录处理测定数据的测量仪器光法，出现了用计算机控制或记录处理测定数据的测量仪器。

测测定定无无机机非非金金属属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、、热热机机械法（光学法、电磁感应法）、体积法械法（光学法、电磁感应法）、体积法 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膨胀传递到检测系统不同之处在于检测系统将膨胀传递到检测系统不同之处在于检测系统 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放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的伸长量 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。

ΔL / L0 = al Δt 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        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，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 自制立式膨胀仪自制立式膨胀仪自制立式膨胀仪（智能型）自制立式膨胀仪（智能型）卧式膨胀仪卧式膨胀仪 图43-3    示差法测定材料膨胀系数的装置１—  测温热电偶；２—膨胀仪电炉；３—电热丝；４—电流表；５—调压器；６—电炉铁壳；７—铜柱电炉芯；８—待测试棒；９—石英玻璃棒；１０—石英玻璃管；１１—遮热板；１２—铁制支承架；１３—千分表；  １４—水瓶；１５—水银温度计；  １６—电位差计四．示差法的测定原理（四．示差法的测定原理（石英膨胀仪石英膨胀仪））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 因为因为 α玻璃　玻璃　﹥　　α石英石英　　所以所以 ΔL1 ﹥ ΔL2 千分表的指示为千分表的指示为 ΔL = ΔL1 – ΔL2 玻璃的净伸长玻璃的净伸长 ΔL1 = ΔL – ΔL2按按定义，玻璃的膨胀系数定义，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         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）； 5.7×10-7度度-1 （０～３００（０～３００℃）） 5.9×10-7度度-1 （０～４００（０～４００℃）） 5.8×10-7度度-1 (０～１００００～１０００℃) 5.97××10-7度度-1 （２００～７００（２００～７００℃℃）） 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: α( 0～～300 ) = 5.7×10-7 / k α( 0～～1000 ) = 5.8×10-7 / k 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实验过程关键操作实验过程关键操作试试 样样 安安 装装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      玻璃的热历史对玻璃的热历史对其膨胀系数有重要的其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变变化化，，膨胀更加剧烈膨胀更加剧烈 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•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））在研究硅酸盐的在研究硅酸盐的玻璃时发现，玻璃时发现，只有以只有以 5 ℃/分钟分钟的加热速度，加热试样时，才能的加热速度，加热试样时，才能清楚地看到清楚地看到Tg •同样试样，同样试样，如果以如果以 8 ℃/分钟的分钟的加热速度，加热试样时，加热速度，加热试样时， Tg根根本不显现本不显现。

在这种情况下，玻璃在这种情况下，玻璃在略低于在略低于Tg 温度下就开始软化，温度下就开始软化，在膨胀曲线上没有突变在膨胀曲线上没有突变Ⅰ. 加热速度加热速度5℃/分钟分钟Ⅱ. 加热速度加热速度8℃/分钟分钟Ⅲ. 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•加热速度减慢，加热速度减慢， Tg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映该温度下的最终值加热速度℃/分钟分钟0.5159转变温度℃468479493499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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理论讲述结束大家动手做实验。