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熱膨脹實驗?zāi)康募皩嶒炘?/h1>
更新時間：2013-01-28
點擊次數(shù)：6510
一． 實驗?zāi)康?/span>
1. 了解材料線膨脹系數(shù)測定的意義、方法。
2. 了解WTD2智能型熱膨脹儀的原理、結(jié)構(gòu)和操作步驟。
3. 學會初步掌握測試數(shù)據(jù)和曲線的分析方法。
二． 實驗原理
現(xiàn)代化大型工程，如高層建筑、鐵路、橋梁、航空航天器件等，都是由多
種復(fù)雜的材料構(gòu)成，要經(jīng)過酷暑寒冬甚至太空中的急劇溫度變化，因此必須確切地掌握有關(guān)材料的熱膨脹系數(shù)以及其隨溫度變化的規(guī)律。
利用熱膨脹方法對材料進行測定和研究稱為“膨脹分析”。它不僅用于膨脹系數(shù)的測定，也是研究動態(tài)相變過程的有效手段，例如鋼中過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過程（TTT曲線）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程（CCT曲線）的測定，zui常用的方法就是膨脹分析。在金屬材料研究中，材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、再結(jié)晶、時效固溶和沉淀析出，往往都伴隨著體積的變化，因此可以用膨脹分析法來研究。又如粉末冶金中材料燒結(jié)致密度的評定，非晶體材料的軟化溫度的測定等，也可以用這一方法。
1. 線膨脹系數(shù)
線膨脹系數(shù)是指與單位溫度變化對應(yīng)的試樣單位長度的線膨脹量,當溫度從T1變到T2時,試樣的長度相應(yīng)地從L1變到L2, 則材料在該溫度區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)α為:
線膨脹系數(shù)α單位為: mm·mm-1·℃-1
2. 體膨脹系數(shù)
體膨脹系數(shù)是指與單位溫度變化對應(yīng)的試樣單位體積的體積膨脹量，當溫度從T1變到T2時,試樣的體積相應(yīng)地從V1變到V2， 則材料在該溫度區(qū)間的平均體膨脹系數(shù)β為：
由于體膨脹系數(shù)測定較為復(fù)雜,所以對于熱膨脹各向同性的材料，平均體膨脹系數(shù)β與平均線膨脹系數(shù)α之間有如下的關(guān)系:
β＝3α〔1＋α（T2－T1）〕
因為α（T2－T1）≤1，可以進一步簡化為
:
β≈3α
對于熱膨脹各向異性的材料，平均體膨脹系數(shù)β可近似用三個相互垂直的晶軸方向的線膨脹系數(shù)α1、α2、α3的和來表示之間，有如下的關(guān)系:
β≈α1+α2+α3
由于膨脹系數(shù)實際上并不是一個恒定的值，而是隨溫度變化的。所以上述膨脹系數(shù)都是再一定溫度范圍ΔT內(nèi)的平均值，因此在使用時要注意它適用的溫度范圍。表1.1列出了一些常用材料的膨脹系數(shù)。
常用材料的膨脹系數(shù) 表1 .1
材料名稱
溫度T
℃
線膨脹系數(shù)α10-6 K -1
材料名稱
溫度T
℃
線膨脹系數(shù)α10-6 K -1
Al（99.97％）
200～100
23.6
Al2O3
0～1000
8.8
鍛Al 4032
200～100
19.4
MgO
0～1000
13.5
鑄Al A132
200～100
19.0
ZrO2（穩(wěn)定化）
0～1000
10
鑄Al 220
200～100
25.0
ZrO
0～1000
4.2
37黃銅
20～300
20.3
SiC
0～1000
4.7
鋁青銅
20～300
16.8
石英玻璃
0～1000
0.5
鈹青銅
20～300
17.8
鈉鈣硅玻璃
0～1000
9.0
20＃鋼
20～100
11.7
硬質(zhì)瓷
0～1000
6
40＃鋼
20～100
11.3
粘土耐火材
0～1000
5.5
更新時間：2013-01-28點擊次數(shù)：6510
一． 實驗?zāi)康?/span>
1. 了解材料線膨脹系數(shù)測定的意義、方法。
2. 了解WTD2智能型熱膨脹儀的原理、結(jié)構(gòu)和操作步驟。
3. 學會初步掌握測試數(shù)據(jù)和曲線的分析方法。
二． 實驗原理
現(xiàn)代化大型工程，如高層建筑、鐵路、橋梁、航空航天器件等，都是由多
種復(fù)雜的材料構(gòu)成，要經(jīng)過酷暑寒冬甚至太空中的急劇溫度變化，因此必須確切地掌握有關(guān)材料的熱膨脹系數(shù)以及其隨溫度變化的規(guī)律。
利用熱膨脹方法對材料進行測定和研究稱為“膨脹分析”。它不僅用于膨脹系數(shù)的測定，也是研究動態(tài)相變過程的有效手段，例如鋼中過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過程（TTT曲線）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程（CCT曲線）的測定，zui常用的方法就是膨脹分析。在金屬材料研究中，材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、再結(jié)晶、時效固溶和沉淀析出，往往都伴隨著體積的變化，因此可以用膨脹分析法來研究。又如粉末冶金中材料燒結(jié)致密度的評定，非晶體材料的軟化溫度的測定等，也可以用這一方法。
1. 線膨脹系數(shù)
線膨脹系數(shù)是指與單位溫度變化對應(yīng)的試樣單位長度的線膨脹量,當溫度從T1變到T2時,試樣的長度相應(yīng)地從L1變到L2, 則材料在該溫度區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)α為:
線膨脹系數(shù)α單位為: mm·mm-1·℃-1
2. 體膨脹系數(shù)
體膨脹系數(shù)是指與單位溫度變化對應(yīng)的試樣單位體積的體積膨脹量，當溫度從T1變到T2時,試樣的體積相應(yīng)地從V1變到V2， 則材料在該溫度區(qū)間的平均體膨脹系數(shù)β為：
由于體膨脹系數(shù)測定較為復(fù)雜,所以對于熱膨脹各向同性的材料，平均體膨脹系數(shù)β與平均線膨脹系數(shù)α之間有如下的關(guān)系:
β＝3α〔1＋α（T2－T1）〕
因為α（T2－T1）≤1，可以進一步簡化為
:
β≈3α
對于熱膨脹各向異性的材料，平均體膨脹系數(shù)β可近似用三個相互垂直的晶軸方向的線膨脹系數(shù)α1、α2、α3的和來表示之間，有如下的關(guān)系:
β≈α1+α2+α3
由于膨脹系數(shù)實際上并不是一個恒定的值，而是隨溫度變化的。所以上述膨脹系數(shù)都是再一定溫度范圍ΔT內(nèi)的平均值，因此在使用時要注意它適用的溫度范圍。表1.1列出了一些常用材料的膨脹系數(shù)。
常用材料的膨脹系數(shù) 表1 .1
| 材料名稱 | 溫度T ℃ | 線膨脹系數(shù)α10-6 K -1 | 材料名稱 | 溫度T ℃ | 線膨脹系數(shù)α10-6 K -1 |
| Al（99.97％） | 200～100 | 23.6 | Al2O3 | 0～1000 | 8.8 |
| 鍛Al 4032 | 200～100 | 19.4 | MgO | 0～1000 | 13.5 |
| 鑄Al A132 | 200～100 | 19.0 | ZrO2（穩(wěn)定化） | 0～1000 | 10 |
| 鑄Al 220 | 200～100 | 25.0 | ZrO | 0～1000 | 4.2 |
| 37黃銅 | 20～300 | 20.3 | SiC | 0～1000 | 4.7 |
| 鋁青銅 | 20～300 | 16.8 | 石英玻璃 | 0～1000 | 0.5 |
| 鈹青銅 | 20～300 | 17.8 | 鈉鈣硅玻璃 | 0～1000 | 9.0 |
| 20＃鋼 | 20～100 | 11.7 | 硬質(zhì)瓷 | 0～1000 | 6 |
| 40＃鋼 | 20～100 | 11.3 | 粘土耐火材 | 0～1000 | 5.5 |
