金屬線膨脹系數(shù)測定

金屬線膨脹系數(shù)的測量絕大多數(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)動加劇或減弱造成的。這個性質(zhì)在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，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?？紤]失當(dāng)，甚至?xí)斐晒こ痰臍p，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。材料的線膨脹是材料受熱膨脹時，在一維方向上的伸長。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，少不了要對材料線脹系數(shù)作測定。一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的1．掌握一種測線膨脹系數(shù)的方法；2．應(yīng)用逐差法處理數(shù)據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)重難點(diǎn)千分表的讀數(shù)逐差法處理數(shù)據(jù)三、實(shí)驗(yàn)儀器與用具數(shù)字智能化熱學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)平臺、千分表、游標(biāo)卡尺。四、實(shí)驗(yàn)原理固體受熱后其長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)，原長為L的物體，受熱后其伸長量AL與其溫度的增加量At近似成正比，與原長L亦成正比，即AL=aLAt式中的比例系數(shù)a稱為固體的線膨脹系數(shù)（簡稱線脹系數(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、熔凝石英的線脹系數(shù)很小。殷鋼和石英的這一特性在精密測量儀器中有較多的應(yīng)用。幾種材料的線脹系數(shù)銅、鐵、鋁普通玻璃、陶瓷殷鋼熔凝石英?-10一5UC)-1?10-6(C)-1<2X10-6(C)-1?10-7(C)-1材料a數(shù)量級實(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，同時會出現(xiàn)線脹量的突變。因此測定線脹系數(shù)也是了解材料持性的一種手段。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。為測量線脹系數(shù)，我們將材料做成條狀或桿狀。由a）式可知，測量出［時桿長l、

受熱后溫度達(dá)t時的伸長量AL和受熱前后的溫度t及t，則該材料在（t,t）溫區(qū)的21212線脹系數(shù)為：2)AL2)a=—L(t—t)21其物理意義是固體材料在（tt2）溫區(qū)內(nèi)，溫度每升高一度時材料的相對伸長量，其單位為（°C）-】。測線脹系數(shù)的主要問題是如何測伸長量ALo先粗估算出al的大小，若L~250mm,溫度變化tt~100C，金屬的a數(shù)量級為10-5（C）-i,則可估算出AL~0.25mm。對于2－1這么微小的伸長量，用普通量具如鋼尺或游標(biāo)卡尺是測不準(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。本實(shí)驗(yàn)中采用千分表測微小的線脹量。五、實(shí)驗(yàn)步驟曰量。五、實(shí)驗(yàn)步驟曰1、 用游標(biāo)卡尺測出室溫下待測金屬桿的原長L,測三次求出算術(shù)平均值。2、 如上圖所示，安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，連接好電纜連接線，將待測金屬桿插于加熱盤內(nèi)，調(diào)節(jié)螺釘,使千分表的指針轉(zhuǎn)動一個微小的角度。3、 將“測量選擇”開關(guān)撥向“上盤溫度”檔,打開加熱開關(guān),觀察加熱盤溫度的變化,直至溫度穩(wěn)定,此時加熱盤可能達(dá)不到設(shè)定溫度,可適當(dāng)調(diào)節(jié)“設(shè)定溫度細(xì)選”使其溫度達(dá)到所需的溫度（如50.0°C）,這時給加熱盤設(shè)定的溫度要高于所需的溫度（如50.0°C）,把此時溫度計為T，讀出千分表數(shù)值L。114、 重復(fù)步驟3,設(shè)定溫度依次遞增5°C,且遞增9次（如依次為55.0C、60.0C、65.0C、70.0C、75.0C、80.0C、85.0C、90.0C、95.0C）,隨著溫度的上升，千分表開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，千分表停止動作，記下此時的溫度值（T、T、T、T、T、T、T、2345678T、T）及千分表讀數(shù)（L、L、L、L、L、L、L、L、LQ。9 10 2 3 4 5 6 7 8 9 105、 用逐差法求出溫度每升高5C時銅桿的平均伸長量，由（2）式即可求出銅桿在這個溫區(qū)（如50.0C,95.0C。內(nèi)的線脹系數(shù)。6、 將銅桿換成鐵桿，重復(fù)以上步驟，測出鐵桿在某個溫區(qū)的線脹系數(shù)。六、數(shù)據(jù)記錄及處理1、測量銅桿的原長L測量次數(shù)123平均值L/mm2、記錄對應(yīng)溫度時的千分表讀數(shù)T/°CL/mmT=L=11T=T+5°C=L=212T二T、+10°C二L=313T二Tr+15°C二L=414T二T'+20°C二L=515T二Tr+25°C二L=616T二Tr+30°C二L=717T二T、+35°C二L=818T_T+40°C_L_9 19T_T+45°C_L_101103、計算得到銅桿的線脹系數(shù)①溫度每升高5°C時，由逐差法處理數(shù)據(jù)，可得銅桿的平均伸長量AL為:(L-L)+(L-L)+(L-L)+(L-L)+(L-L)AL= 6 1 7 2 8 3 9 4 10 5 =mm)5x5mm)T二 o廠T=o廠②銅桿在(T1- C，10C)溫區(qū)的線脹系數(shù)為：AL_a= (°C)-14、誤差分析5?8……（將銅桿換成鐵桿，對照步驟1?4,自擬過程）七、注意事項(xiàng)1、 千分表安裝須適當(dāng)固定（以表頭無轉(zhuǎn)動為準(zhǔn)）且與被測物體有良好的接觸（初始讀數(shù)在0.2—0.3mm處較為適宜）；2、 因伸長量極小，故儀器不應(yīng)有振動；3