1、材料線膨脹系數測定材料線膨脹系數測定主講：主講： 伍伍 洪洪 標標 目目 錄錄一目的意義一目的意義二材料的熱膨脹系數二材料的熱膨脹系數三材料熱膨脹系數的三材料熱膨脹系數的檢測方法檢測方法四示差法的測定原理四示差法的測定原理五實驗過程五實驗過程六主要影響因素討論六主要影響因素討論七實驗數據處理七實驗數據處理一目的意義熱膨脹 物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。熱膨脹系數是材料的主要物理性質之一，它是衡量材料的熱穩定性好壞的一個重要指標。提高材料的熱穩定性 降低材料的線膨脹系數，提高材料的熱穩定性，提高材料的使用安全性。提高材料的強度 如果層狀物由兩種材料迭置連接而成，則溫度變化時

2、，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生壓應力而另一種材料中產生大小相等的張應力，恰當地利用這個特性，可以增加制品的強度。 例：夾層玻璃目的意義焊接或熔接 當兩種不同的材料彼此焊接或熔接時，都要求二種材料具備相近的膨脹系數。 如兩種不同金屬的焊接，玻璃儀器的焊接加工，在電真空工業和儀器制造工業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的熱膨脹系數。 如果選擇材料的膨脹系數相差比較大，焊接時由于膨脹的速度不同，在焊接處產生應力，降低了材料的機械強度和氣密性，嚴重時會導致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。目的意義 合理使用材料 精密

3、儀器小型、大型），選用膨脹系數小的材料 例：大型加工機械 水泥路面 鋼鐵大橋 水泥大橋 大型建筑物 因此，測定材料的熱膨脹系數具有重要的意義。 二材料的熱膨脹系數 材料的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。熱膨脹通常用熱膨脹系數表示。 1. 體積膨脹系數體積膨脹系數V）：）： 相當于溫度升高相當于溫度升高1時物體體積的時物體體積的相對增大值。相對增大值。 由于總有內能存在，物質的每由于總有內能存在，物質的每個粒子都在振動。個粒子都在振動。 當物質受熱時，由于溫度升高，當物質受熱時，由于溫度升高，每個粒子的熱能增大，導致振幅也每個粒子的熱能增大，導致振幅也隨之增大，由非簡諧力相互結隨之

4、增大，由非簡諧力相互結合的兩個原子之間的距離也隨之增合的兩個原子之間的距離也隨之增大，物質就發生膨脹。大，物質就發生膨脹。物質的熱膨脹是由非簡諧非物質的熱膨脹是由非簡諧非線性振動引起的。線性振動引起的。 設試體為一立方體，邊長為設試體為一立方體，邊長為L 。當溫度從。當溫度從T1上升到上升到T2時，時，體積也從體積也從V1上升到上升到V2 ，體膨脹系數，體膨脹系數 由于膨脹系數一般比較小，可忽略高階無窮小。取一級近似： = 3 在測量技術上，體膨脹比較難測，通常應用以上關系來估算材料的體膨脹系數，已足夠精確。2. 2. 線膨脹系數線膨脹系數LL）：）： 在實際工作中一般都是測定材料的線熱膨脹系

5、數。在實際工作中一般都是測定材料的線熱膨脹系數。所以對于普通材料，通常所說膨脹系數是指線膨脹系數。所以對于普通材料，通常所說膨脹系數是指線膨脹系數。 線膨脹系數是指溫度升高線膨脹系數是指溫度升高11后，物體的相對伸長。后，物體的相對伸長。 設試體在一個方向的長度為設試體在一個方向的長度為L L 。當溫度從。當溫度從T1T1上升上升到到T2T2時，長度也從時，長度也從L1L1上升到上升到L2 L2 ，則平均線膨脹系數，則平均線膨脹系數 無機材料的線膨脹系數一般都不大，無機材料的線膨脹系數一般都不大，數量級約為數量級約為10-5-10-6/K。 實際上，無機非金屬材料的體積膨脹系數實際上，無機非金

6、屬材料的體積膨脹系數V 、線、線膨脹系數膨脹系數L并不是一個常數，而是隨溫度稍有變化，并不是一個常數，而是隨溫度稍有變化，通常隨溫度升高而增大。通常隨溫度升高而增大。 瞬時線膨脹系數為瞬時線膨脹系數為幾種無機材料的熱膨脹曲線幾種無機材料的熱膨脹曲線如果金屬在加熱或冷卻的過如果金屬在加熱或冷卻的過程中發生相變，由于不同組程中發生相變，由于不同組成的比容差異，將引起熱膨成的比容差異，將引起熱膨脹的異常，這種異常的膨脹脹的異常，這種異常的膨脹系數為研究材料中的組織轉系數為研究材料中的組織轉變提供了重要的信息。變提供了重要的信息。研究金屬熱膨脹的另一方面研究金屬熱膨脹的另一方面興趣來自于儀表對材料熱膨

7、興趣來自于儀表對材料熱膨脹性能的特殊要求。脹性能的特殊要求。例如，作為尺寸穩定零件的例如，作為尺寸穩定零件的微波設備諧振腔、精密計時微波設備諧振腔、精密計時器和宇宙航行雷達天線等，器和宇宙航行雷達天線等，都要求在氣溫變動范圍內具都要求在氣溫變動范圍內具有一定的膨脹系數的合金；有一定的膨脹系數的合金；電真空技術中為了與玻璃、電真空技術中為了與玻璃、陶瓷、云母、人造寶石等氣陶瓷、云母、人造寶石等氣密封接要求具有很低膨脹系密封接要求具有很低膨脹系數的合金；用于制造熱敏性數的合金；用于制造熱敏性元件的雙金屬卻要求高膨脹元件的雙金屬卻要求高膨脹合金。合金。這就需要研究化學成分和組這就需要研究化學成分和組

8、織結構對合金膨脹系數的影織結構對合金膨脹系數的影響。響。根據原子熱振動概念的熱容理論，格留涅辛進行計算。在沒有相變時，膨根據原子熱振動概念的熱容理論，格留涅辛進行計算。在沒有相變時，膨脹系數隨溫度的升高連續增大。脹系數隨溫度的升高連續增大。但對鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬，在溫度靠近居里溫度時，膨脹系數出現明顯但對鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬，在溫度靠近居里溫度時，膨脹系數出現明顯的反常。的反常。其中鎳和鈷的膨脹系數實驗值高于理論值，如圖其中鎳和鈷的膨脹系數實驗值高于理論值，如圖5-17所示，稱為正反常，而所示，稱為正反常，而鐵的實驗值低于理論值，稱為負反常。鐵的實驗值低于理論值，稱為負反常。相變研究是材料科

9、學中的一項相變研究是材料科學中的一項基礎研究工作，而相變臨界點基礎研究工作，而相變臨界點的測定對于每一個新鋼種或的測定對于每一個新鋼種或合金總是不可缺少的。合金總是不可缺少的。以鋼鐵為例，由于在加熱和冷以鋼鐵為例，由于在加熱和冷卻過程中存在同素異構轉變，卻過程中存在同素異構轉變，產生明顯的體積效應，因而采產生明顯的體積效應，因而采用膨脹的測量來確定變相溫度用膨脹的測量來確定變相溫度是一個很有效的方法。根據膨是一個很有效的方法。根據膨脹曲線來確定鋼中脹曲線來確定鋼中a r 轉變轉變溫度。溫度。取熱膨脹曲線上偏離純熱膨脹取熱膨脹曲線上偏離純熱膨脹的點的點a、c 對應的溫度為轉變點。對應的溫度為轉變

10、點。 b、d對應的溫度為轉變點。對應的溫度為轉變點。取加熱與冷卻曲線上的四個極取加熱與冷卻曲線上的四個極值點值點a、 b 、d 、 c對應的溫對應的溫度為轉變點。度為轉變點。三材料熱膨脹系數的檢測方法三材料熱膨脹系數的檢測方法 人類很早十八世紀就測定固體的熱膨脹。當時的測人類很早十八世紀就測定固體的熱膨脹。當時的測定裝置很原始：水平放置約定裝置很原始：水平放置約15厘米長的試樣，下面點燃幾支厘米長的試樣，下面點燃幾支蠟燭加熱，通過齒輪機構放大來確定試樣長度的變化。蠟燭加熱，通過齒輪機構放大來確定試樣長度的變化。 十九世紀到現在，人們創造了許多測定方法。上世紀十九世紀到現在，人們創造了許多測定方

11、法。上世紀60年代出現了激光法，出現了用計算機控制或記錄處理測定數年代出現了激光法，出現了用計算機控制或記錄處理測定數據的測量儀器。據的測量儀器。 測定無機非金屬材料熱膨脹系數常用：千分表法、熱機測定無機非金屬材料熱膨脹系數常用：千分表法、熱機械法光學法、電磁感應法）、體積法械法光學法、電磁感應法）、體積法 等。等。 它們的共同點都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過頂桿它們的共同點都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過頂桿將膨脹傳遞到檢測系統。不同之處在于檢測系統。將膨脹傳遞到檢測系統。不同之處在于檢測系統。 千分表法是用千分表直接測量試樣的伸長量。千分表法是用千分表直接測量試樣的伸長量。 光學熱機械法

12、是通過頂桿的伸長量來推動光學系統內的反光學熱機械法是通過頂桿的伸長量來推動光學系統內的反射鏡轉動經光學放大系統而使光點在影屏上移動來測定試樣的射鏡轉動經光學放大系統而使光點在影屏上移動來測定試樣的伸長量。伸長量。 電磁感應熱機械法是將頂桿的移動通過天平傳遞到差動變壓電磁感應熱機械法是將頂桿的移動通過天平傳遞到差動變壓器，變換成電訊號，經放大轉換，從而測量出試樣的伸長量。器，變換成電訊號，經放大轉換，從而測量出試樣的伸長量。 根據試樣的伸長量就可計算出線膨脹系數。根據試樣的伸長量就可計算出線膨脹系數。L / L0 = al t 試樣規格為直徑試樣規格為直徑3-8mm，長度，長度10-20mm的圓

13、棒。的圓棒。 立式膨脹儀是將試樣立式膨脹儀是將試樣安放在一端封閉的石英管安放在一端封閉的石英管底部，使其保持良好的接底部，使其保持良好的接觸，試樣的另一端通過一觸，試樣的另一端通過一個石英頂桿將膨脹引起的個石英頂桿將膨脹引起的位移傳遞到千分表上，即位移傳遞到千分表上，即可讀出不同溫度下的膨脹可讀出不同溫度下的膨脹量。量。 自制立式膨脹儀自制立式膨脹儀自制立式膨脹儀智能型）自制立式膨脹儀智能型）臥式膨脹儀臥式膨脹儀 圖43-3 示差法測定材料膨脹系數的裝置 測溫熱電偶；膨脹儀電爐；電熱絲；電流表；調壓器；電爐鐵殼；銅柱電爐芯；待測試棒；石英玻璃棒；石英玻璃管；遮熱板；鐵制支承架；千分表； 水瓶；

14、水銀溫度計； 電位差計。四示差法的測定原理石英膨脹儀）四示差法的測定原理石英膨脹儀）圖43-1 石英膨脹儀內部結構熱膨脹分析圖示差法的測定原理示差法的測定原理 由于玻璃的膨脹系數一般是由于玻璃的膨脹系數一般是石英的膨脹系數一般是石英的膨脹系數一般是 兩者的膨脹差可以測定。兩者的膨脹差可以測定。 由于由于 玻璃玻璃石英石英所以所以 L1 L2 千分表的指示為千分表的指示為 L = L1 L2 玻璃的凈伸長玻璃的凈伸長 L1 = L L2按定義，玻璃的膨脹系數按定義，玻璃的膨脹系數注：只要材料的膨脹系數小于石英的膨脹系數的處理，如： 金屬、 無機非金屬、有機材料，都可用這種膨脹儀測定。 玻璃的線膨

15、脹系數與溫度有關。石英玻璃的平均線膨脹系數按下列溫度范圍取值）； 5.710-7度-1 （） 5.910-7度-1 （） 5.810-7度-1 () 5.9710-7度-1 （） 因此，材料的平均線膨脹系數應標明溫度范圍，如: ( 0300 ) = 5.710-7 / k ( 01000 ) = 5.810-7 / k 五實驗過程五實驗過程試試 樣樣 加加 工工 試樣試樣切割切割 試樣試樣研磨研磨實驗過程關鍵操作實驗過程關鍵操作試試 樣樣 安安 裝裝1. 試樣加工與安裝試樣加工與安裝2. 玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響 淬火：玻璃成形后快速冷卻淬火：玻璃成

16、形后快速冷卻 精密退火：玻璃成形后緩慢冷卻精密退火：玻璃成形后緩慢冷卻2. 加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響 在測定玻璃線膨脹系數時的升溫速在測定玻璃線膨脹系數時的升溫速度。度。六主要影響因素討論六主要影響因素討論 玻璃的熱歷史對其膨脹系數有重要的影響。 退火玻璃曲線發生曲折是由于溫度超過Tg以后，伴隨玻璃轉變發生結構變化，膨脹更加劇烈。 至于急冷玻璃，是由于試樣存在熱應變，在某溫度以上開始出現弛豫的結果。玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響加熱速度是個極重要的因素。玻加熱速度是個極重要的因素。玻璃快速加熱時，性質來不及反映璃快速加熱

17、時，性質來不及反映該溫度的最終值。該溫度的最終值。柯爾納柯爾納O.Koeyner和沙爾芒和沙爾芒H.Salmang在研究硅酸鹽的在研究硅酸鹽的玻璃時發現，只有以玻璃時發現，只有以 5 /分鐘分鐘的加熱速度，加熱試樣時，才能的加熱速度，加熱試樣時，才能清楚地看到清楚地看到Tg 。同樣試樣，如果以同樣試樣，如果以 8 /分鐘的分鐘的加熱速度，加熱試樣時，加熱速度，加熱試樣時， Tg根根本不顯現。在這種情況下，玻璃本不顯現。在這種情況下，玻璃在略低于在略低于Tg 溫度下就開始軟化，溫度下就開始軟化，在膨脹曲線上沒有突變。在膨脹曲線上沒有突變。. 加熱速度加熱速度5/分鐘分鐘. 加熱速度加熱速度8/分鐘分鐘. 加熱速度？加熱速度？/分鐘分鐘加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響 加熱速度減慢，加熱速度減慢， T