材料熱膨脹系數(shù)

材料熱膨脹系數(shù)第一頁，共三十五頁，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)的檢測方法四．示差法的測定原理五．實(shí)驗(yàn)過程六．主要影響因素討論七．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日一．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(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，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@個特性，可以增加制品的強(qiáng)度。例：夾層玻璃第三頁，共三十五頁，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，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)重時會導(dǎo)致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。第四頁，共三十五頁，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，測定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日

二．材料的熱膨脹系數(shù)

材料的體積或長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時物體體積的相對增大值。

由于總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的每個粒子都在振動。

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

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

設(shè)試體為一立方體，邊長為L。當(dāng)溫度從T1上升到T2時，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，可忽略高階無窮小。取一級近似：

β=3α在測量技術(shù)上，體膨脹比較難測，通常應(yīng)用以上關(guān)系來估算材料的體膨脹系數(shù)β，已足夠精確。第七頁，共三十五頁，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定材料的線熱膨脹系數(shù)。所以對于普通材料，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)。

線膨脹系數(shù)是指溫度升高1℃后，物體的相對伸長。

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

瞬時線膨脹系數(shù)為第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日幾種無機(jī)材料的熱膨脹曲線第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日如果金屬在加熱或冷卻的過程中發(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自于儀表對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、精密計時器和宇宙航行雷達(dá)天線等，都要求在氣溫變動范圍內(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)對合金膨脹系數(shù)的影響。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日根據(jù)原子熱振動概念的熱容理論，格留涅辛進(jìn)行計算。在沒有相變時，膨脹系數(shù)隨溫度的升高連續(xù)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(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，共三十五頁，2022年，8月28日相變研究是材料科學(xué)中的一項基礎(chǔ)研究工作，而相變臨界點(diǎn)的測定對于每一個新鋼種（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)，因而采用膨脹的測量來確定變相溫度是一個很有效的方法。根據(jù)膨脹曲線來確定鋼中ar轉(zhuǎn)變溫度。取熱膨脹曲線上偏離純熱膨脹的點(diǎn)a、c對應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。b、d對應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。取加熱與冷卻曲線上的四個極值點(diǎn)a’、b’、d’、c’對應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日三．材料熱膨脹系數(shù)的檢測方法

人類很早（十八世紀(jì)）就測定固體的熱膨脹。當(dāng)時的測定裝置很原始：水平放置約15厘米長的試樣，下面點(diǎn)燃幾支蠟燭加熱，通過齒輪機(jī)構(gòu)放大來確定試樣長度的變化。十九世紀(jì)到現(xiàn)在，人們創(chuàng)造了許多測定方法。上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光法，出現(xiàn)了用計算機(jī)控制或記錄處理測定數(shù)據(jù)的測量儀器。測定無機(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，通過頂桿將膨脹傳遞到檢測系統(tǒng)。不同之處在于檢測系統(tǒng)。第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日千分表法是用千分表直接測量試樣的伸長量。

光學(xué)熱機(jī)械法是通過頂桿的伸長量來推動光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)動經(jīng)光學(xué)放大系統(tǒng)而使光點(diǎn)在影屏上移動來測定試樣的伸長量。

電磁感應(yīng)熱機(jī)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(jīng)放大轉(zhuǎn)換，從而測量出試樣的伸長量。根據(jù)試樣的伸長量就可計算出線膨脹系數(shù)。 ΔL/L0=alΔt試樣規(guī)格為直徑3-8mm，長度10-20mm的圓棒。

第十八頁，共三十五頁，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，試樣的另一端通過一個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，共三十五頁，2022年，8月28日自制立式膨脹儀第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日自制立式膨脹儀（智能型）第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日臥式膨脹儀

第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖43-3示差法測定材料膨脹系數(shù)的裝置１—

測溫?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；１６—電位差計。四．示差法的測定原理（石英膨脹儀）第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖43-1石英膨脹儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱膨脹分析圖示差法的測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定。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日因?yàn)棣敛ＡЗ儲潦?/p>

所以ΔL1﹥ΔL2

千分表的指示為

ΔL

=ΔL1–ΔL2

玻璃的凈伸長

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、無機(jī)非金屬、有機(jī)材料……，都可用這種膨脹儀測定。第二十五頁，共三十五頁，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，共三十五頁，2022年，8月28日五．實(shí)驗(yàn)過程試樣加工試樣切割試樣研磨第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)過程關(guān)鍵操作試樣安裝第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.試樣加工與安裝2.玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數(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.加熱速度對玻璃線膨脹系數(shù)的影響

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

玻璃的熱歷史對其膨脹系數(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，在某溫度以上開始出現(xiàn)弛豫的結(jié)果。玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數(shù)的影響第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日加熱速度是個極重要的因素。玻璃快速加熱時，性質(zhì)來不及反映該溫度的最終值?？聽柤{（O.Koeyner）和沙爾芒（H.Salmang）在研究硅酸鹽的玻璃時發(fā)現(xiàn)，只有以5℃/分鐘的加熱速度，加熱試樣時，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，Tg根本不顯現(xiàn)。在這種情況下，玻璃在略低于Tg溫度下就開始軟化，在膨脹曲線上沒有突變。Ⅰ.加熱速度5℃/分鐘Ⅱ.加熱速度8℃/分鐘Ⅲ.加熱速度？℃/分鐘加熱速度對玻璃線膨脹系數(shù)的影響第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日加熱速度減慢，Tg下降。對于“堿-鈣-硅玻璃”，M-符爾達(dá)（M.Fulda）得到下列數(shù)據(jù)：