測(cè)材料熱膨脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

。材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解測(cè)定熱膨脹系數(shù)曲線(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義2、掌握PCY型高溫臥式膨脹儀和ZRPY-200熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀（低溫膨脹儀）的使用和軟件操作；3、掌握示差法測(cè)定熱膨脹系數(shù)的原理和方法，使用熱膨脹儀測(cè)量不同材料的熱膨脹系數(shù)。二實(shí)驗(yàn)原理1、測(cè)量熱膨脹系數(shù)的意義物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱(chēng)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(gè)重要指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，選擇材料的熱膨脹系數(shù)顯得尤為重要，如玻璃儀器、陶瓷制品的焊接加工，都要求二種材料具備相近的膨脹系數(shù)。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(shí)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(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。如果層狀物由兩種材料迭置連接而成，則溫度變化時(shí)，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中要采用一個(gè)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(gè)特性，可以增加制品的強(qiáng)度。因此，測(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。2、測(cè)量原理一般的普通材料，通常所說(shuō)膨脹系數(shù)是指線(xiàn)膨脹系數(shù)，其意義是溫度升高1時(shí)單位長(zhǎng)度上所增加的長(zhǎng)度，單位為厘米/厘米度。假設(shè)物體原來(lái)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，溫度升高后長(zhǎng)度的增加量為L(zhǎng)，它們之間存在如下關(guān)系： LL01t（1）式中，1稱(chēng)為線(xiàn)膨脹系數(shù)，也就是溫度每升高1時(shí)，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。當(dāng)物體的溫度從T1上升到T2時(shí)，其體積也從V1變化為V2，則該物體在T1至T2的溫度范圍內(nèi)，溫度每上升一個(gè)單位，單位體積物體的平均增長(zhǎng)量為 V1V2）V1（T1T2） (2)式中，為平均體膨脹系數(shù)。 從測(cè)試技術(shù)來(lái)說(shuō)，測(cè)體膨脹系數(shù)較為復(fù)雜。因此，在討論材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，常常采用線(xiàn)膨脹系數(shù)： （L1L2）L1（T1T2） (3)式中：試樣的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)； L1在溫度為T(mén)1時(shí)試樣的長(zhǎng)度；L2在溫度為T(mén)2時(shí)試樣的長(zhǎng)度； 必須指出，由于膨脹系數(shù)實(shí)際上并不是一個(gè)恒定的值，而是隨溫度變化的，所以上述膨脹系數(shù)都是具有在一定溫度范圍t內(nèi)的平均值的概念，因此使用時(shí)要注意它適用的溫度范圍，如： ( 0300 ) = 5.710-7 / k。本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量材料的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)。三、測(cè)量方法目前，測(cè)定材料線(xiàn)膨脹系數(shù)的方法很多，有示差法(或稱(chēng)“石英膨脹計(jì)法”)、雙線(xiàn)法、光干涉法、重量溫度計(jì)法等。在所有這些方法中，示差法具有廣泛的實(shí)用意義。本實(shí)驗(yàn)采用示差法。示差法是基于采用熱穩(wěn)定性較好的材料如石英玻璃（棒和管）在較高溫度下，其線(xiàn)膨脹系數(shù)隨溫度而改變的性質(zhì)很小，當(dāng)溫度升高時(shí)，石英玻璃與其中的待測(cè)試樣與石英玻璃棒都會(huì)發(fā)生膨脹，但是待測(cè)試樣的膨脹比石英玻璃管上同樣長(zhǎng)度部分的膨脹要大。因而使得與待測(cè)試樣相接觸的石英玻璃棒發(fā)生移動(dòng)，這個(gè)移動(dòng)是石英玻璃管、石英玻璃棒和待測(cè)試樣三者的同時(shí)伸長(zhǎng)和部分抵消后在千分表上所顯示的L值，它包括試樣與石英玻璃管和石英玻璃棒的熱膨脹之差值，測(cè)定出這個(gè)系統(tǒng)的伸長(zhǎng)之差值及加熱前后溫度的差數(shù)，并根據(jù)已知石英玻璃的膨脹系數(shù)，便可算出待測(cè)試樣的熱膨脹系數(shù)。圖1石英膨脹儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱膨脹分析圖圖1是石英膨脹儀的工作原理分析圖，從圖中可見(jiàn)，膨脹儀上千分表上的讀數(shù)為： L=L1-L2由此得到試樣的凈伸長(zhǎng)：L1 = L+ L2根據(jù)定義，待測(cè)試樣的線(xiàn)膨脹系數(shù)（L+L2）/（Lt）（L/（Lt）+ （L2（Lt）其中L2（Lt）石所以石+（L/（Lt）若溫度差為t2t1，則待測(cè)試樣的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)可按下式計(jì)算：石+L/L(t2-t1)式中：石石英玻璃的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試樣所用儀器：低溫：1、ZRPY-200低溫膨脹儀；2、YDZ-15自增壓低溫容器、3、計(jì)算機(jī)及軟件、4、數(shù)據(jù)接口。完成-60200度熱膨脹性能測(cè)試。高溫：1、PCY-1200高溫膨脹儀；2、計(jì)算機(jī)及軟件、3、數(shù)據(jù)接口。完成室溫1200度熱膨脹性能測(cè)試。測(cè)試材料從-60500度以上熱膨脹性能，試樣采用玻璃、陶瓷、鋁、鋼、銅、塑料等，把試樣加工成長(zhǎng)方體形狀。五、實(shí)驗(yàn)步驟1接好路線(xiàn)并檢查。2先把石英玻璃管放入電爐腔；再把準(zhǔn)備好的待測(cè)試樣小心地裝入石英玻璃管內(nèi)；然后裝進(jìn)石英玻璃棒，使石英玻璃棒緊貼試樣；安裝千分表，使千分表的頂桿輕輕頂壓在石英玻璃棒的末端，并調(diào)零。 3接通電源，等電壓穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器，以3/min的速率升溫，每隔2分鐘記一次千分表的讀數(shù)和電位差計(jì)的讀數(shù)，直到千分表上的讀數(shù)向后退為止。將所測(cè)數(shù)據(jù)記入下表。表2 測(cè)試結(jié)果記錄表 試樣編號(hào)： 試樣原始長(zhǎng)度L（mm）：試樣溫度t（）千分表讀數(shù)試樣伸長(zhǎng)值L（mm）六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1根據(jù)原始數(shù)據(jù)，在直角毫米坐標(biāo)紙中繪出待測(cè)材料的線(xiàn)膨脹曲線(xiàn)。確定t1、t2，并根據(jù)t1、t2確定L1、L2。2按公式石+L/L(t2-t1)計(jì)算被測(cè)材料的平均膨脹系數(shù)。3對(duì)于玻璃材料，從熱膨脹曲線(xiàn)上確定其特征溫度Tg和Tf。七、注意事項(xiàng)1被測(cè)試樣和石英玻璃棒、千分表頂桿三者應(yīng)平直相接，并保持在石英玻璃管的中軸區(qū)，以消除摩擦與偏斜影響造成的誤差。2試樣與石英玻璃棒要緊緊接觸使試樣的膨脹增量及時(shí)傳遞給千分表，在加熱測(cè)定前要使千分表頂桿緊至指針轉(zhuǎn)動(dòng)23圈，確定一個(gè)初讀數(shù)。3升溫速度不宜過(guò)快，以控制23分鐘