《剛性材料 尺寸穩(wěn)定性評價 第一部分：熱膨脹試驗方法》

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

團體標準

T/CSTMXXXXX—202X

剛性材料尺寸穩(wěn)定性評價

第1部分：熱膨脹試驗方法

Dimensionalstabilityevaluationofrigidmaterials

Part1:Thermalexpansiontestmethods

2023-XX-XX發(fā)布2023-XX-XX實施

中關村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTMXXXXX—2023

剛性材料尺寸穩(wěn)定性評價第1部分：熱膨脹試驗方法

重要提示（危險或警告或注意）：使用本文件的人員應有正規(guī)實驗室工作的實踐經(jīng)驗。本文件并未

指出所有可能的安全問題。使用者有責任采取適當?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證符合國家有關法規(guī)規(guī)定的

條件。

1范圍

本文件規(guī)定了金屬材料或其他相關剛性材料單一方向（可根據(jù)需求選擇軸向、橫向、徑向等）尺寸

穩(wěn)定性測量方法的定義及符號、原理、測試裝置及要求、試樣制備、裝置校正、測量程序、測量結(jié)果等。

本文件適用于采用推桿式膨脹儀測量剛性固體材料在一定溫度條件下的尺寸變化值，這種方法可以

評估材料在經(jīng)過一定的溫度條件后因殘余應力釋放或材料發(fā)生相變導致的不可逆尺寸變化。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T4339-2008金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測定

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

定義1linearthermalexpansion

線性熱膨脹

與溫度變化相應的試樣長度方向的尺寸變化。

定義2dimensionalstability

尺寸穩(wěn)定性

試樣在一定的溫度條件下，保持其尺寸不發(fā)生不可逆變化的能力。

4原理

4.1本標準是將試樣置于推桿式膨脹儀中，并經(jīng)歷一定熱條件，測量并記錄試樣溫度及尺寸變化。

4.2當采用升/降溫的熱條件時，通常需要在經(jīng)歷一定熱條件后回到與指定的初始溫度一致的溫度點

來測量不可逆變形。當采用恒定溫度的熱條件時，可以在恒溫段測量不可逆變形。

5環(huán)境條件

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5.1環(huán)境溫度對高精度尺寸測量有顯著的影響，尤其是位移傳感器部分未采用恒溫水浴的設備。整

個試驗過程中，環(huán)境溫度變化不應超過±3℃，設備需安裝在能控制溫度的房間內(nèi)。

5.2設備周圍不應有震動、電磁干擾，以免對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

6儀器設備

6.1試驗設備應滿足GB/T4339中的要求，其中位移傳感器精度應優(yōu)于0.01μm，圖1為典型推桿式

膨脹儀剖視圖

樣熱

樣

恒溫控品推電

倉桿偶品吹掃氣出口

位移傳感器制系統(tǒng)真空法蘭

吹掃氣入口

底板/控制面板過流保護管

圖1.推桿式膨脹儀

6.2樣品倉和推桿均為石英材料.

6.3為保證位移傳感器溫度的穩(wěn)定，設備應當有隔離爐體熱輻射影響的裝置。必要時，位移傳感器

部分應采用恒溫水浴。

6.4當測試樣品在選定的溫度條件下可能發(fā)生反應時，應采用氣體保護。

7樣品

7.1取樣部位

通常情況下，樣品應直接從產(chǎn)品上切取，根據(jù)產(chǎn)品的特點，選取有代表性的部位取樣。也可從原材

料上切取，此時的檢測結(jié)果可用于評估制造過程中不同工藝下的尺寸穩(wěn)定性水平，用于工藝改進，但最

終的結(jié)果應該以產(chǎn)品為準。

7.2試樣數(shù)量

試樣數(shù)量應不少于2個。

7.3加工過程

機械加工可能在試樣表面產(chǎn)生殘余應力。這些殘余應力可能是加工階段的熱梯度或材料變形或顯微

結(jié)構(gòu)的變化引起的。殘余應力在測試過程中會全部或部分釋放，引起試樣尺寸變化。試樣加工過程中宜

采用與產(chǎn)品相似的加工精度或采用影響更小的其它加工方式。

7.4試樣尺寸

推薦試樣長度為25mm±0.1mm或50mm±0.1mm，長度方向的橫截面可以是圓形、矩形或其他形

狀，且應該是等截面，截面尺寸在3-10mm。

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試樣應軸向均勻，其端面粗糙度Ra應小于10μm，兩端面的平行度應小于25μm。

試樣端面不應有加工留下的凸起或毛刺，因為它在試驗中易產(chǎn)生變形。

推薦的試樣見表1

表1.推薦的試樣尺寸

試樣方向示意圖推薦尺寸

長度：25±0.1mm或50±0.1mm

長度方向兩端面平行度：≤0.025mm

粗糙度Ra：≤0.01mm

橫向邊長/直徑/寬度：3-10mm

8試驗參數(shù)

8.1試驗溫度的選擇

本標準傾向于實際應用，試驗溫度的選擇通常與材料的工況相適應，如冷熱交變、高溫或低溫環(huán)境

下的持續(xù)工作等。應當注意，試樣在經(jīng)過一定的溫度程序后，會因為殘余應力的釋放而產(chǎn)生不可逆變形，

但是不同溫度程序下殘余應力的釋放程度是不同的，因此測試結(jié)果與試樣本身的殘余應力有趨勢上的相

關性，即拉應力區(qū)材料縮短，壓應力區(qū)材料伸長，但并無直接的關聯(lián)。

注：一個樣品，其初始殘余應力是一定的，但在不同的溫度程序下，殘余應力的釋放程度是不同的，

通常來講，溫度越高，則殘余應力的釋放越徹底。對于工作溫度不同的產(chǎn)品，規(guī)定一個相同的試驗溫度

條件在某些情況下是不公平的，因此，本文件未明確固定的溫度程序，鼓勵使用者與相關方依據(jù)產(chǎn)品工

況就試驗溫度條件進行協(xié)商。

8.2試驗時間的選擇

大量數(shù)據(jù)表明，試樣在試驗過程中，隨著試驗時間的延長或循環(huán)次數(shù)的增加，其尺寸變化越來越小，

最終趨于穩(wěn)定。一個合理的試驗時間應經(jīng)過驗證，當每小時或每個循環(huán)的尺寸變化率不超過總尺寸變化

率的2%時，視作尺寸變化已達穩(wěn)定，附錄B展示了保溫時間驗證的案例。

9試驗步驟

9.1標樣選擇

利用已知其膨脹值的標準樣品（如高純Al2O3、熔融石英、藍寶石、鎢、鉑等）來校正測量裝置。

建議選擇與測試樣品膨脹值相近的標準樣品，且標準樣品的長度與樣品接近，以獲得更好的校正效果。

9.2校正程序

校正曲線應使用與試驗條件相同的測試程序，如試樣長度、溫度曲線、環(huán)境氣氛等都應盡可能相同。

原則上，每次試驗前都應進行校正曲線的測試，當一段時間內(nèi)采用相同的測試程序進行同類試樣的檢測

時，可以采用第一次的校正曲線而不必每次都做校正曲線測試。

9.3樣品尺寸測量

使用精度優(yōu)于±25μm的卡尺測量樣品在室溫下的原始長度L0。

9.4樣品清洗

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確保測試樣品表面清潔，不應有酸、堿性污染，避免用手直接接觸測試樣品。必要時，應對測試樣

品進行清洗。

9.5樣品放置

將測試樣品裝入熱膨脹儀樣品倉內(nèi)，確保其位置穩(wěn)定。

9.6推桿接觸力

通過推桿將適當?shù)奈⒘枯d荷作用在測試樣品上，以保證推桿和測試樣品間的接觸。這個接觸力將在

整個試驗過程中保持恒定，依據(jù)試樣的可壓縮性與溫度范圍的不同，這個力的大小一般應在0.1N-1N之

間，推薦的接觸力大小為0.25N，應精密地逐漸增加載荷至設定的接觸力大小。

9.7樣品測試

打開已經(jīng)測試好的校正曲線文件，以基線+樣品的程序進行樣品測試。記錄樣品整個試驗過程中的

全部數(shù)據(jù)。

10試驗數(shù)據(jù)處理

10.1測試完畢后，用數(shù)據(jù)軟件打開測試數(shù)據(jù)文件進行數(shù)據(jù)處理。

10.2對于采用恒溫測試程序的試樣，可選擇到達指定溫度并保持穩(wěn)定后的點作為起點，保溫時間結(jié)

束時的點作為終點，計算起點與終點的線性熱膨脹值差值△L。

10.3對于采用變溫測試程序的試樣，可選擇初始溫度附近的一個溫度點作為起點（例：在測試程

序中，30℃設置一段恒溫程序，然后設置變溫程序，變溫程序結(jié)束后再設置一段30℃的恒溫程序作為

結(jié)束段），與起點相同溫度的結(jié)束段作為終點，計算起點與終點的線性熱膨脹值差值△L。

10.4計算材料的尺寸穩(wěn)定性，即單位長度的線性熱膨脹變化率（△L/L0）。

11精密度和測量不確定度

應該注意，試樣經(jīng)過熱條件后，殘余應力會有部分釋放和平衡，同時也可能會產(chǎn)生新的殘余應力，

因此試樣的測試是一次性的，不可重復測量。如對檢測結(jié)果存疑，可在相鄰部位取雙倍數(shù)量的樣品進行

復驗。

12質(zhì)量保證和控制

設備應采用標準樣品進行定期校正，利用已知其膨脹值的標準樣品進行測試，測試結(jié)果與標準樣品

數(shù)據(jù)進行對比。

對于氧化鋁標準樣品，其△L/L0值與標準數(shù)據(jù)△L/L0值的偏差＜3%；對于石英標準樣品，其△L/L0

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值與標準數(shù)據(jù)△L/L0值應只在10位有差異。

13試驗報告

13.1報告試驗過程中發(fā)生的任何異常情況，如震動、溫度變化超出范圍等。

13.2報告應包含但不限于如下內(nèi)容

a）試驗樣品材質(zhì)信息；

b）環(huán)境溫度，℃；

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c）環(huán)境相對濕度，%；

d）試驗溫度程序；

e）試樣初始長度，mm；

f）標準樣品材質(zhì)及長度，mm；

g）推桿接觸力，N；

h）試驗結(jié)果（尺寸穩(wěn)定性），%。

注：試樣代表了產(chǎn)品的一部分性能，因產(chǎn)品本身的殘余應力分布可能時復雜的，不同位置的試樣檢

測結(jié)果可能存在明顯的差異，這可能不是因為檢測結(jié)果的波動，而是殘余應力分不均勻所致，建議報告

每個樣品的檢測結(jié)果而不是平均值。

14特殊情況

如試驗過程中出現(xiàn)恒溫段曲線有臺階、變溫段曲線有波折等情況，測試結(jié)果可能受到影響，該樣

品的測試數(shù)據(jù)無效。這種異常通常與環(huán)境溫度的變化、外界的振動等有關系。

當意外斷電等情況導致試驗終止時，測試數(shù)據(jù)無效，應重新取樣進行測試。

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附錄A

（資料性）

活塞襯套軸向尺寸穩(wěn)定性測試案例

A.1測試對象：

產(chǎn)品名稱：汽車發(fā)動機活塞襯套

產(chǎn)品材質(zhì)：硅黃銅（CuZn31Si1）

產(chǎn)品形狀：薄壁管狀

產(chǎn)品尺寸：外徑50.4mm，壁厚1.9mm。

樣品尺寸：長度25mm，寬度5mm（弧形試樣）

A.2應用情況：

工況溫度：受發(fā)動機燃燒影響，發(fā)動機工作時實際溫度200℃

裝配情況：產(chǎn)品冷卻后過盈配合安裝在發(fā)動機缸體上

受載情況：外壁受缸體束縛，活塞在產(chǎn)品內(nèi)壁往復摩擦

A.3影響分析：

裝配后通過加工，與活塞產(chǎn)生尺寸配合，發(fā)動機運行一段時間后，由于受到熱循環(huán)條件的影響，

產(chǎn)品殘余應力部分釋放，導致發(fā)生不可逆尺寸變化。如產(chǎn)品直徑變小，則與缸體間的過盈配合變?nèi)?，?/p>

從缸體上脫落的風險；如產(chǎn)品直徑變大，則與活塞之間的間隙變大，發(fā)動機效率下降。

A.4穩(wěn)定性要求：

220℃恒溫20小時以上，尺寸穩(wěn)定性不超過±0.008%

A.5樣品制備：

因壁厚較小，試樣采用線切割方式切取圖2所示寬度為5mm，長度25mm的全壁厚弧形試樣

圖2.弧形試樣

A.6測試儀器

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德國耐馳DIL402C熱膨脹儀

位移傳感器精度0.125nm

A.7環(huán)境條件：

環(huán)境溫度：23±2℃

相對濕度：50±5%

A.8位移傳感器溫度：

采用恒溫水浴，溫度20±0.1℃

A.9試驗溫度條件：

室溫——以3℃/min速率升溫至220℃——恒溫24小時——程序結(jié)束

A.10標準樣品：

銅合金材料膨脹值較大，選擇高純Al2O3作為標準樣品

標樣尺寸：直徑6mm，長度25mm

A.11測試樣品：

圖3展示了結(jié)果滿足穩(wěn)定性要求的試驗樣品測試曲線

圖3.測試結(jié)果滿足要求的試樣

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圖4展示了結(jié)果不滿足穩(wěn)定性要求的試驗樣品測試曲線

圖4.測試結(jié)果不滿足要求的試樣

圖5展示了因環(huán)境溫度變化導致出現(xiàn)臺階的試驗樣品測試曲線

圖5.測試曲線出現(xiàn)臺階的試樣

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附錄B

（資料性）

恒溫程序保溫時間驗證案例

A.1保溫試驗衰減測試說明：

本附錄給出了采用恒溫程序時，如何選取保溫時間的方法。

通常情況下，樣品在恒溫階段，隨著保溫時間驗證，單位時間的尺寸變化逐漸減?。淳哂蟹€(wěn)

定衰減的特征），但是對于恒溫段尺寸變化很小的樣品，尺寸變化接近空白波動，不具備穩(wěn)定衰減特征。

因此，在驗證保溫時間時，不應選取尺寸穩(wěn)定性很小的樣品。

A.2測試樣品信息：

本附錄樣品及試驗條件與附錄A一致。

A.3衰減測試曲線：

本附錄給出了尺寸穩(wěn)定性顯著超出技術(shù)要求、尺寸穩(wěn)定性在技術(shù)要求附近和尺寸穩(wěn)定性接近空

白波動水平3個檢測樣品的單位時間（每小時）衰減情況。

圖6.穩(wěn)定衰減（尺寸穩(wěn)定性顯著超出技術(shù)要求）

圖7.穩(wěn)定衰減（尺寸穩(wěn)定性在技術(shù)要求附近）

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圖8.不穩(wěn)定衰減（尺寸穩(wěn)定性接近空白波動水平）

從衰減曲線來看，本附錄中的樣品在220℃恒溫＞15小時的時候，每小時的尺寸變化率已低于

總變化率的2%，即恒溫時間應＞15小時。