第1-4講_膨脹

1、1. 何謂何謂膨脹合金膨脹合金?2. 膨脹合金的膨脹合金的特點(diǎn)與機(jī)理特點(diǎn)與機(jī)理是什么是什么?1.3 材料的熱膨脹材料的熱膨脹概述概述(意義意義:工程技術(shù)中的應(yīng)用工程技術(shù)中的應(yīng)用+科學(xué)研究中的重要方法科學(xué)研究中的重要方法)一一, 材料膨脹性能的工業(yè)應(yīng)用：材料膨脹性能的工業(yè)應(yīng)用： 膨脹合金膨脹合金包括包括低膨脹合金、定膨脹合金低膨脹合金、定膨脹合金。 低膨脹合金低膨脹合金(因瓦型合金因瓦型合金(Invar alloy)的特點(diǎn)是，的特點(diǎn)是，在溫度變化時(shí)其長(zhǎng)度變化很小，能保持尺寸的穩(wěn)在溫度變化時(shí)其長(zhǎng)度變化很小，能保持尺寸的穩(wěn)定性，故可用來(lái)制造標(biāo)準(zhǔn)量尺、精密天平、標(biāo)準(zhǔn)定性，故可用來(lái)制造標(biāo)準(zhǔn)量尺、精密天平

2、、標(biāo)準(zhǔn)電容及標(biāo)淮頻率計(jì)的諧振腔等。電容及標(biāo)淮頻率計(jì)的諧振腔等。 定膨脹合金定膨脹合金的特點(diǎn)是，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有的特點(diǎn)是，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有一定的膨脹系數(shù)，主要用于和陶瓷、玻璃封接而一定的膨脹系數(shù)，主要用于和陶瓷、玻璃封接而構(gòu)成電真空器件的結(jié)構(gòu)材料，如大功率管的陰極、構(gòu)成電真空器件的結(jié)構(gòu)材料，如大功率管的陰極、陽(yáng)極引出線等。陽(yáng)極引出線等。 軟磁合金軟磁合金永磁合金永磁合金彈性合金彈性合金膨脹合金膨脹合金熱雙金屬熱雙金屬電性合金電性合金耐蝕合金耐蝕合金高溫合金高溫合金難熔合金難熔合金釬焊合金釬焊合金磁補(bǔ)償合金：具有改善磁性能受溫度而引起的變化，以保證儀表的精確性。主要成份：鎳3740%，

3、鉻1214%，鐵余量?？煞ズ辖鹂煞ズ辖?，中國(guó)牌號(hào)為中國(guó)牌號(hào)為4J29等牌號(hào)，本合金含鎳等牌號(hào)，本合金含鎳29%，鈷，鈷18%的硬玻璃鐵基封接合金。該合金在的硬玻璃鐵基封接合金。該合金在20450范圍內(nèi)具有與硬玻璃相近的線膨脹系數(shù)范圍內(nèi)具有與硬玻璃相近的線膨脹系數(shù)和相應(yīng)的硬玻璃能進(jìn)行有效封接匹配，廣泛用于和相應(yīng)的硬玻璃能進(jìn)行有效封接匹配，廣泛用于汽車(chē)燈及電真空工業(yè)。中國(guó)牌號(hào)汽車(chē)燈及電真空工業(yè)。中國(guó)牌號(hào)4J系列膨脹合金。系列膨脹合金。（供線材與帶材）（供線材與帶材）產(chǎn)品名稱：杜美絲芯合金產(chǎn)品名稱：杜美絲芯合金(膨脹合金膨脹合金)規(guī)格型號(hào)：規(guī)格型號(hào)：4J43 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：YB/T5236-9

4、3 包裝：紙箱包裝：紙箱 20kg/箱箱 用途：用于生產(chǎn)杜美絲、制作電子管、燈炮用途：用于生產(chǎn)杜美絲、制作電子管、燈炮及半導(dǎo)體器件與軟玻璃匹配封接的引出線。及半導(dǎo)體器件與軟玻璃匹配封接的引出線。低膨脹合金的應(yīng)用領(lǐng)域：低膨脹合金的應(yīng)用領(lǐng)域： 精密儀器儀表精密儀器儀表, 如：天文儀器構(gòu)件、精密天平臂桿、如：天文儀器構(gòu)件、精密天平臂桿、標(biāo)準(zhǔn)量具、標(biāo)準(zhǔn)鐘擺輪、擺桿。標(biāo)準(zhǔn)量具、標(biāo)準(zhǔn)鐘擺輪、擺桿。 低溫容器低溫容器, 如：液態(tài)天然氣貯罐、液氫、液氧貯罐、如：液態(tài)天然氣貯罐、液氫、液氧貯罐、液態(tài)天然氣輸送管道。液態(tài)天然氣輸送管道。 微波通訊微波通訊, 如：如：諧振腔、波導(dǎo)管、諧振腔、波導(dǎo)管、標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器、

5、標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器、波長(zhǎng)計(jì)。波長(zhǎng)計(jì)。 可變電容可變電容,如：可變電容如：可變電容葉片、支撐桿、葉片、支撐桿、溫度補(bǔ)償線。溫度補(bǔ)償線。熱雙金屬片熱雙金屬片是由熱膨脹系數(shù)差別很大的兩種合金是由熱膨脹系數(shù)差別很大的兩種合金組成的，利用其在溫度變化時(shí)彎曲的特點(diǎn)達(dá)到組成的，利用其在溫度變化時(shí)彎曲的特點(diǎn)達(dá)到自自動(dòng)控制動(dòng)控制的目的。的目的。 熱雙金屬片電阻系列熱雙金屬（電阻三金屬）電阻系列熱雙金屬（電阻三金屬）電阻系列熱雙金屬（電阻三金屬）是在熱雙金屬高、低膨脹層之電阻系列熱雙金屬（電阻三金屬）是在熱雙金屬高、低膨脹層之間增加一層材料，以調(diào)節(jié)電阻率，起間增加一層材料，以調(diào)節(jié)電阻率，起電流分流電流分流作用。作用。

6、主要用于大額定電流及某些電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、小型化情主要用于大額定電流及某些電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、小型化情況下的況下的過(guò)載保護(hù)過(guò)載保護(hù)與控制。與控制。品種與規(guī)格：品種與規(guī)格：冷軋鋼帶冷軋鋼帶0.21.220200發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)年代年代 名稱名稱成分成分晶系晶系 磁性磁性 /（1/） at RTTc或或TN/1897Fe-Ni因瓦因瓦65Fe-35Ni立方立方鐵磁鐵磁1.210-62321931超因瓦超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方立方鐵磁鐵磁0.02301934不銹因瓦不銹因瓦37Fe-52Co-11Cr立方立方鐵磁鐵磁0.01271937Fe-Pt因瓦因瓦75Fe-25Pt立方立方鐵磁鐵磁

7、-30 10-6801962Fe-Pd因瓦因瓦67Fe-31Pd立方立方鐵磁鐵磁0.03401972Cr 基因瓦基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方立方反鐵磁反鐵磁1 10-6451974Y2Fe17因瓦因瓦10.5Y-89.5Fe六角六角鐵磁鐵磁_(tái)-291977非晶態(tài)非晶態(tài)Fe-B因瓦因瓦83Fe-17B非晶態(tài)非晶態(tài)鐵磁鐵磁(12)10-6320低膨脹合金發(fā)展簡(jiǎn)況低膨脹合金發(fā)展簡(jiǎn)況I Invar 36: Chemical Compositions C Mn S P Si Cr Ni Fe 0.10 0.50 0.004 0.006 0.35 0.25 36.0 Balance Inva

8、r 36 is a Nickel-Iron, low expansion alloy containing 36% Nickel, belongs to one of the controlled expansion alloys with the lowest thermal expansion coefficient of any of the iron-nickel alloys. It is widely used in the electronics industry such as radios, thermostats(自動(dòng)調(diào)溫器自動(dòng)調(diào)溫器), glass-to-metal se

9、als and structural components in laser systems. Kovar: Chemical Compositions:CNiFeSiMnSCo0.0229.0Balance0.200.30r0T2X1.3 1.3 熱膨脹的物理本質(zhì)及其基本概念熱膨脹的物理本質(zhì)及其基本概念1.3.1 熱膨脹的物理本質(zhì)：熱膨脹的物理本質(zhì)：原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)1.3.2 膨脹性能的基本概念膨脹性能的基本概念 平均線膨脹系數(shù)平均線膨脹系數(shù): : 真線膨脹系數(shù)真線膨脹系數(shù) 膨脹曲線膨脹曲線: : l = f (T)幾種典型材料的線膨脹系數(shù)幾種典型材料的線膨脹系數(shù)(RT):石英玻璃

10、石英玻璃: 0.510-6/K。鐵鐵:12 10-6/K高溫納燈所用的高溫納燈所用的封接導(dǎo)電材料封接導(dǎo)電材料:金屬鈮金屬鈮 T = 7.810-6/KAl2O3燈管燈管 T = 810-6/K。TldTdlTlTTlll11;11212lTT1T2l1l2lTT膨脹曲線膨脹曲線1.3.3 1.3.3 膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系1. 1. 與熱容的關(guān)系：與熱容的關(guān)系：格律乃森格律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動(dòng)理論由晶格熱振動(dòng)理論: V = rCV/(EVV); 立方晶系立方晶系: l = rCV/(3EVV) r為格律乃森常數(shù)為格律乃森常數(shù)(r約在約在 1.

11、5 2.5間間); EV 是體彈是體彈模量。模量。線膨脹系數(shù)與熱容隨溫度線膨脹系數(shù)與熱容隨溫度T的變化關(guān)系定性一致。的變化關(guān)系定性一致。因溫度升高，熱振動(dòng)加劇，升高單位溫度的能因溫度升高，熱振動(dòng)加劇，升高單位溫度的能量也增高。量也增高。CpT/TMAl00.20.40.6T/K0400800AlT/-2000200Fe-35%Ni格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程Tm V = (VTm-V0)/V0 = C ； 其中其中, VTm和和V0 分別為熔點(diǎn)和分別為熔點(diǎn)和0K時(shí)金屬的體積。時(shí)金屬的體積。 C為常數(shù)，多數(shù)立方和六方晶格金屬取為常數(shù)，多數(shù)立方和六方晶格

12、金屬取0.06 0.076。即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程：即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程： (VTm-V0)/V0 = C 6% 6.7%。線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可有經(jīng)驗(yàn)公式：線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可有經(jīng)驗(yàn)公式： l Tm 0.0222. 2. 與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式：與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式：l = b/(V2/3MD2); 原子間結(jié)合力與原子間結(jié)合力與D2成正比，結(jié)成正比，結(jié)合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。石英玻璃的石英玻璃的值約值約0.510-6/K,而而F鐵為鐵為12 10-6/K.具有一定的周期性具有一定的周期性:IA族元素的族元素的值隨值隨Z增加而增大增

13、加而增大,其余其余A族元素的族元素的值則值則隨隨Z增加而減小增加而減小.這與鍵有關(guān)這與鍵有關(guān).堿金屬堿金屬值高值高,過(guò)渡族元素過(guò)渡族元素值低值低.與原子結(jié)合力有關(guān)與原子結(jié)合力有關(guān).4. 4. 與原子序數(shù)的關(guān)系與原子序數(shù)的關(guān)系: :3. 3. 與德拜溫度的關(guān)系：與德拜溫度的關(guān)系：1.3.4 影響膨脹性能的因素影響膨脹性能的因素(化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、相變等）化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、相變等）1.1.相變的影響：相變的影響：一級(jí)相變的比容有突變一級(jí)相變的比容有突變,膨脹系數(shù)在轉(zhuǎn)變點(diǎn)膨脹系數(shù)在轉(zhuǎn)變點(diǎn)無(wú)限大無(wú)限大.一級(jí)相變特點(diǎn)：體積、比容、焓有突變，伴有潛一級(jí)相變特點(diǎn)：體積、比容、焓有突變，伴

14、有潛熱發(fā)生。如三態(tài)轉(zhuǎn)變，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等屬于一熱發(fā)生。如三態(tài)轉(zhuǎn)變，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等屬于一級(jí)相變。級(jí)相變。二級(jí)相變?cè)谙嘧儨貐^(qū)內(nèi)膨脹系數(shù)曲線上有拐二級(jí)相變?cè)谙嘧儨貐^(qū)內(nèi)膨脹系數(shù)曲線上有拐點(diǎn)點(diǎn).二級(jí)相變無(wú)體積突變和相變潛熱，但膨脹系數(shù)和二級(jí)相變無(wú)體積突變和相變潛熱，但膨脹系數(shù)和比熱容有突變比熱容有突變。圖為鐵的線性熱膨脹系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。在氦氣圖為鐵的線性熱膨脹系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。在氦氣氣氛下以氣氛下以5 /min測(cè)量。在測(cè)量。在960 （曲線峰值）（曲線峰值）和和1409 出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)變化（出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)變化（bcc-fcc-bcc）。）。2 2. . 晶型轉(zhuǎn)變晶型轉(zhuǎn)變。室溫下室溫下ZrO2晶體是晶體是單斜

15、晶型單斜晶型。溫度高于。溫度高于1000度時(shí)轉(zhuǎn)為度時(shí)轉(zhuǎn)為四方晶型四方晶型，體積收縮，體積收縮4%。嚴(yán)重影響應(yīng)用。嚴(yán)重影響應(yīng)用。加入加入MgO,CaO, Y2O3等穩(wěn)定劑后，在高溫與等穩(wěn)定劑后，在高溫與ZrO2形成形成立方晶型立方晶型的固溶體。不到的固溶體。不到2000度不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。度不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。T/純純ZrO2完全穩(wěn)完全穩(wěn)定化定化ZrO2CaO8%ZrO21200400l/l(b). ZrO2的膨脹曲線的膨脹曲線3 3. . 有序有序- -無(wú)序轉(zhuǎn)變無(wú)序轉(zhuǎn)變: :如如Au-Cu有序合金加熱到有序合金加熱到300時(shí)有序開(kāi)始破壞。達(dá)時(shí)有序開(kāi)始破壞。達(dá)480時(shí)完全無(wú)時(shí)完全無(wú)序化。拐折點(diǎn)對(duì)應(yīng)有序

16、無(wú)序轉(zhuǎn)變的上臨界溫度，常稱有序序化。拐折點(diǎn)對(duì)應(yīng)有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的上臨界溫度，常稱有序-無(wú)序轉(zhuǎn)無(wú)序轉(zhuǎn)變溫度。變溫度。Cu-Zn合金成分接近合金成分接近CuZn時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的固溶體，低溫時(shí)為有序狀態(tài)，銅原子在每個(gè)單胞的結(jié)點(diǎn)上，鋅原子固溶體，低溫時(shí)為有序狀態(tài)，銅原子在每個(gè)單胞的結(jié)點(diǎn)上，鋅原子在中心。隨在中心。隨T升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序，吸收熱量。屬于二級(jí)相變。升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序，吸收熱量。屬于二級(jí)相變。l/lT/300500Au-50%CuCu-50%ZnFe-25%Al(a). 有序無(wú)序轉(zhuǎn)變膨脹曲線有序無(wú)序轉(zhuǎn)變膨脹曲線4 4. . 鐵磁性轉(zhuǎn)變：鐵磁性轉(zhuǎn)變：多數(shù)金屬和合

17、金的膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與熱容一樣按多數(shù)金屬和合金的膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與熱容一樣按T3規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會(huì)出現(xiàn)反常膨脹。目前解釋是規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會(huì)出現(xiàn)反常膨脹。目前解釋是磁致磁致伸縮伸縮抵消了合金的熱膨脹。具有負(fù)反常膨脹特性合金可用于獲抵消了合金的熱膨脹。具有負(fù)反常膨脹特性合金可用于獲得膨脹系數(shù)為零或負(fù)值的因瓦得膨脹系數(shù)為零或負(fù)值的因瓦(Invar)合金，或在一定溫度范合金，或在一定溫度范圍內(nèi)不變的可伐合金圍內(nèi)不變的可伐合金(Kovar alloy)。NiFeCo100060014001200T/K680520920（2）不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)）不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)原子間結(jié)合力與原

18、子間結(jié)合力與D2成正比，結(jié)合力越大，德拜成正比，結(jié)合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。溫度越高，膨脹系數(shù)越小。通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)較大，而類似于通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)較大，而類似于無(wú)定型玻璃往往有較小的膨脹系數(shù)。無(wú)定型玻璃往往有較小的膨脹系數(shù)。多晶石英的多晶石英的值為值為12 10-6/K；而無(wú)定型石英玻而無(wú)定型石英玻璃的璃的值只有值只有0.5 10-6/K。鍵強(qiáng)則熱膨脹系數(shù)值高鍵強(qiáng)則熱膨脹系數(shù)值高:石墨平行于石墨平行于c軸軸值為值為27 10-6/K;而垂直與而垂直與c軸的軸的值為值為1.0 10-6/K。鋼的膨脹特性鋼的膨脹特性 鋼的膨脹特性取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。鋼的膨脹特

19、性取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。 鋼的組織中馬氏體比容最大，奧氏體最小，鋼的組織中馬氏體比容最大，奧氏體最小，鐵素體和珠光體居中。而馬氏體，珠光體和鐵素體和珠光體居中。而馬氏體，珠光體和奧氏體的比容都隨含碳量的增加而增大。奧氏體的比容都隨含碳量的增加而增大。 鐵素體和滲碳體的比容有固定值。鐵素體和滲碳體的比容有固定值。 鋼的線膨脹系數(shù)則相反，奧氏體最大，鐵素鋼的線膨脹系數(shù)則相反，奧氏體最大，鐵素體和珠光體次之，馬氏體最小。體和珠光體次之，馬氏體最小。1.3.4 膨脹的測(cè)量膨脹的測(cè)量 膨脹測(cè)量是材料熱性能研究的一種物理方法。膨脹測(cè)量是材料熱性能研究的一種物理方法。材料的熱膨脹特性以它的膨脹系數(shù)表征，

20、通常材料的熱膨脹特性以它的膨脹系數(shù)表征，通常檢測(cè)其平均線膨脹，核心在于精確測(cè)量在特定檢測(cè)其平均線膨脹，核心在于精確測(cè)量在特定溫區(qū)內(nèi)的熱膨脹量。溫區(qū)內(nèi)的熱膨脹量。 由于理論和低溫研究的需要，熱膨脹測(cè)量在高由于理論和低溫研究的需要，熱膨脹測(cè)量在高靈敏度靈敏度(l/l 10-12) 、高精度方面發(fā)展較快；、高精度方面發(fā)展較快； 工業(yè)上的膨脹測(cè)量向自動(dòng)化和快速反映方向發(fā)工業(yè)上的膨脹測(cè)量向自動(dòng)化和快速反映方向發(fā)展。展。微機(jī)的應(yīng)用使精度和自動(dòng)化程度得到提高。微機(jī)的應(yīng)用使精度和自動(dòng)化程度得到提高。熱膨脹在快速冷卻，加熱的熱循環(huán)中，對(duì)研究熱膨脹在快速冷卻，加熱的熱循環(huán)中，對(duì)研究材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變具有獨(dú)特作用。材

21、料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變具有獨(dú)特作用。 膨脹的測(cè)量方法：膨脹的測(cè)量方法：光學(xué)式，電測(cè)式，機(jī)械式光學(xué)式，電測(cè)式，機(jī)械式。德國(guó)耐馳儀器制造有限公司上海代表處德國(guó)耐馳儀器制造有限公司上海代表處主要技術(shù)指標(biāo)工作溫度：室溫1600；靈敏度：1.25nm/digit;升溫速率：0.110/min;樣品狀態(tài)：固體、粉末、液態(tài);樣品大?。洪L(zhǎng)50mm(max)直徑：12mm(max);測(cè)試氣氛：真空（10-4mbar）、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)（可用惰性或反應(yīng)氣體）。ULTRA HIGH TEMPERATURE DILATOMETERAmbient to 2000/ 2500/ 2800CSingle or dual sampleRe

22、search qualitySintering studiesFull range optical pyrometer(光測(cè)高溫計(jì)光測(cè)高溫計(jì))Vacuum or inert atmosphereFully automatic operation with Windows software(PC not included)左圖顯示的是氮化硅左圖顯示的是氮化硅生料的熱膨脹和膨脹生料的熱膨脹和膨脹速率微分曲線。由于速率微分曲線。由于燒結(jié)添加劑的影響，燒結(jié)添加劑的影響，材料在材料在1201開(kāi)始了開(kāi)始了燒結(jié)過(guò)程。主要的收燒結(jié)過(guò)程。主要的收縮過(guò)程發(fā)生在縮過(guò)程發(fā)生在 1424（外推起始點(diǎn)）。在（外推起始點(diǎn)）

23、。在 1760 以上的效應(yīng)則以上的效應(yīng)則由添加劑的揮發(fā)引起。由添加劑的揮發(fā)引起。應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例: 氮化硅氮化硅由于其出色的熱性能和機(jī)械特性，氮化硅正日益成為高科技由于其出色的熱性能和機(jī)械特性，氮化硅正日益成為高科技領(lǐng)域中的常用材料之一（如作為汽車(chē)引擎的閥門(mén)）。當(dāng)然，領(lǐng)域中的常用材料之一（如作為汽車(chē)引擎的閥門(mén)）。當(dāng)然，生產(chǎn)與燒結(jié)工藝對(duì)于最終成品的性能有著決定性的影響。生產(chǎn)與燒結(jié)工藝對(duì)于最終成品的性能有著決定性的影響。LaserInterferometryTypeThermalExpansionMeter Itsmeasurementaccuracyisashighas2nmasagainst+

24、/-1umwhichisobtainablebytheconventionalpushrodtypedilatometer.1.光學(xué)膨脹儀的基本原理是什么光學(xué)膨脹儀的基本原理是什么?2.標(biāo)準(zhǔn)樣的功能是什么標(biāo)準(zhǔn)樣的功能是什么?對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣有何要求何要求?1. 示差光學(xué)膨脹儀較普通光學(xué)膨脹儀示差光學(xué)膨脹儀較普通光學(xué)膨脹儀有何優(yōu)點(diǎn)有何優(yōu)點(diǎn)?2. 光干涉法膨脹儀的基本原理是什光干涉法膨脹儀的基本原理是什么么?(光的干涉條件是什么光的干涉條件是什么?如何實(shí)如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)?如何計(jì)算試樣的膨脹量如何計(jì)算試樣的膨脹量?)3. 電感式膨脹儀的基本原理是什么電感式膨脹儀的基本原理是什么?有何特點(diǎn)有何特點(diǎn)?常用的

25、膨脹儀常用的膨脹儀1. 光學(xué)膨脹儀光學(xué)膨脹儀光學(xué)膨脹儀是物理冶金中常用的膨脹儀。光學(xué)膨脹儀是物理冶金中常用的膨脹儀。其基本原理是利用光杠桿放大試樣的膨脹其基本原理是利用光杠桿放大試樣的膨脹量，并用標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長(zhǎng)標(biāo)出溫度。又通過(guò)量，并用標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長(zhǎng)標(biāo)出溫度。又通過(guò)照相方法自動(dòng)記錄膨脹曲線。放大倍數(shù)可照相方法自動(dòng)記錄膨脹曲線。放大倍數(shù)可達(dá)達(dá)200 800倍倍通?？煞譃橥ǔ？煞譃椋?1). 普通光學(xué)膨脹儀普通光學(xué)膨脹儀(測(cè)定膨脹系數(shù)測(cè)定膨脹系數(shù))(2). 示差光學(xué)膨脹儀示差光學(xué)膨脹儀(靈敏度和精確度更高靈敏度和精確度更高，適于適于測(cè)定臨界點(diǎn)測(cè)定臨界點(diǎn))膨脹儀按原理可分為：膨脹儀按原理可分為：光學(xué)式，電

26、測(cè)式，機(jī)械式光學(xué)式，電測(cè)式，機(jī)械式。注：注：（1）A點(diǎn)用鉸鏈固定。點(diǎn)用鉸鏈固定。AC垂直；垂直；AB水平。水平。（2）借助光路的多次反射可延長(zhǎng)反射鏡和）借助光路的多次反射可延長(zhǎng)反射鏡和感光紙的距離，以達(dá)到所需放大倍數(shù)感光紙的距離，以達(dá)到所需放大倍數(shù)(200, 400, 800倍倍)。(一一). 普通光學(xué)膨脹儀普通光學(xué)膨脹儀光杠桿式膨脹原理圖：光杠桿式膨脹原理圖：共析鋼膨脹曲線示意圖共析鋼膨脹曲線示意圖:lT/Ac1Ar14545CAB底片底片光源光源標(biāo)準(zhǔn)樣標(biāo)準(zhǔn)樣待測(cè)樣待測(cè)樣石英桿石英桿共析鋼共析鋼標(biāo)準(zhǔn)樣的要求：標(biāo)準(zhǔn)樣的要求：其膨脹量與溫度成正比；在測(cè)量范圍內(nèi)無(wú)相變其膨脹量與溫度成正比；在測(cè)量范

27、圍內(nèi)無(wú)相變,不易氧化不易氧化；導(dǎo)熱系數(shù)接近待測(cè)樣。與試樣的導(dǎo)熱系數(shù)接近待測(cè)樣。與試樣的形狀和尺寸相同形狀和尺寸相同.標(biāo)準(zhǔn)樣的選擇：標(biāo)準(zhǔn)樣的選擇：較低溫度方圍研究有色金屬和合金時(shí)，常用銅較低溫度方圍研究有色金屬和合金時(shí)，常用銅和鋁純金屬做標(biāo)準(zhǔn)樣；和鋁純金屬做標(biāo)準(zhǔn)樣；研究鋼材時(shí)，研究鋼的標(biāo)樣可采用皮洛斯合金研究鋼材時(shí)，研究鋼的標(biāo)樣可采用皮洛斯合金（PYROS alloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).穩(wěn)定穩(wěn)定性好，性好，1000度以下無(wú)相變，膨脹系數(shù)由度以下無(wú)相變，膨脹系數(shù)由12.2710-6/K均勻增加到均勻增加到21 . 2410-6/K。較較石英傳動(dòng)桿的線膨脹系數(shù)約石英傳動(dòng)桿的線膨脹系

28、數(shù)約0.510-6/K。(二二) 示差光學(xué)膨脹儀：示差光學(xué)膨脹儀：（試樣與標(biāo)樣熱膨脹的相對(duì)差值的方法）（試樣與標(biāo)樣熱膨脹的相對(duì)差值的方法）60標(biāo)樣標(biāo)樣試樣試樣BAC底片底片光光OyxCACB標(biāo)樣功能：水平分量指示溫度；縱向分量抵消試標(biāo)樣功能：水平分量指示溫度；縱向分量抵消試樣的膨脹量，尤其是試樣組織未轉(zhuǎn)變前的膨脹量。樣的膨脹量，尤其是試樣組織未轉(zhuǎn)變前的膨脹量。從而使膨脹量的范圍縮小，提高了測(cè)量精度和靈從而使膨脹量的范圍縮小，提高了測(cè)量精度和靈敏度。很適用于分析金屬內(nèi)部組織變化。敏度。很適用于分析金屬內(nèi)部組織變化。光干涉法膨脹儀光干涉法膨脹儀干涉條件干涉條件: 兩列頻率相同兩列頻率相同,位相差恒

29、定的波相遇而干涉。位相差恒定的波相遇而干涉。膨脹量：膨脹量：l = N/2; N由光敏元件和計(jì)數(shù)器連續(xù)測(cè)定。由光敏元件和計(jì)數(shù)器連續(xù)測(cè)定。優(yōu)點(diǎn)：精度高（光波長(zhǎng)在優(yōu)點(diǎn)：精度高（光波長(zhǎng)在0.1微米量級(jí)微米量級(jí))。缺點(diǎn)：裝置設(shè)計(jì)要求高。缺點(diǎn)：裝置設(shè)計(jì)要求高。上下干涉板上下干涉板試樣試樣半透鏡半透鏡光敏元件光敏元件計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器記錄儀記錄儀光干涉法膨脹儀示意圖光干涉法膨脹儀示意圖2. 電測(cè)式膨脹儀電測(cè)式膨脹儀將膨脹量轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，然后進(jìn)行電訊號(hào)的記錄，將膨脹量轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，然后進(jìn)行電訊號(hào)的記錄，數(shù)據(jù)處理和畫(huà)出膨脹曲線。數(shù)據(jù)處理和畫(huà)出膨脹曲線。(包括應(yīng)變電阻式膨脹儀，電容式膨脹儀和電感式膨脹儀包括應(yīng)變電阻式

30、膨脹儀，電容式膨脹儀和電感式膨脹儀) 。電感式膨脹儀電感式膨脹儀原理原理:采用差動(dòng)變壓器原理將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)換為采用差動(dòng)變壓器原理將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（放大倍數(shù)可達(dá)到電信號(hào)（放大倍數(shù)可達(dá)到6000倍）。倍）。特點(diǎn)：特點(diǎn)：試樣可采用真空高頻加熱，加熱速度可控制在試樣可采用真空高頻加熱，加熱速度可控制在500/s以下范圍。試樣冷卻可以選用小電流加熱自以下范圍。試樣冷卻可以選用小電流加熱自然冷卻和強(qiáng)力噴氣冷卻三種冷卻方式。加熱溫度和然冷卻和強(qiáng)力噴氣冷卻三種冷卻方式。加熱溫度和冷卻速度易于自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理。近年冷卻速度易于自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理。近年來(lái)，較為先進(jìn)的全自動(dòng)快速膨脹

31、儀膨脹量轉(zhuǎn)換采用的來(lái)，較為先進(jìn)的全自動(dòng)快速膨脹儀膨脹量轉(zhuǎn)換采用的就是差動(dòng)變壓器原理。就是差動(dòng)變壓器原理。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：易受電磁因素的干擾。變壓器電源采用易受電磁因素的干擾。變壓器電源采用200400Hz以防止工業(yè)網(wǎng)的干擾。以防止工業(yè)網(wǎng)的干擾。電感式膨脹儀測(cè)量原理電感式膨脹儀測(cè)量原理試樣試樣傳感桿傳感桿磁芯磁芯差動(dòng)變壓器原理圖差動(dòng)變壓器原理圖試樣試樣加熱爐加熱爐控控溫溫儀儀差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器恒溫箱恒溫箱放放大大器器記記錄錄儀儀膨脹儀結(jié)構(gòu)方框圖膨脹儀結(jié)構(gòu)方框圖組成：組成：初級(jí)，次級(jí)線圈和磁芯構(gòu)成。初級(jí)和次初級(jí)，次級(jí)線圈和磁芯構(gòu)成。初級(jí)和次級(jí)線圈繞在同一絕緣管上級(jí)線圈繞在同一絕緣管上, 次級(jí)線圈由兩

32、段完次級(jí)線圈由兩段完全相同的繞組反向的先圈串接而成。它們相對(duì)全相同的繞組反向的先圈串接而成。它們相對(duì)初級(jí)線圈完全對(duì)稱。磁芯處在中間位置時(shí)，反初級(jí)線圈完全對(duì)稱。磁芯處在中間位置時(shí)，反接的次級(jí)線圈的感生電動(dòng)勢(shì)相互抵消。磁芯偏接的次級(jí)線圈的感生電動(dòng)勢(shì)相互抵消。磁芯偏離中間位置差動(dòng)變壓器信號(hào)與磁芯偏離量呈線離中間位置差動(dòng)變壓器信號(hào)與磁芯偏離量呈線性關(guān)系。性關(guān)系。3.機(jī)械式膨脹儀機(jī)械式膨脹儀(1).千分表式膨脹儀千分表式膨脹儀(2). 杠桿式膨脹儀杠桿式膨脹儀將膨脹量轉(zhuǎn)移到千分表或利用杠桿作用放將膨脹量轉(zhuǎn)移到千分表或利用杠桿作用放大大.1.3.4 膨脹分析的應(yīng)用膨脹分析的應(yīng)用（組織轉(zhuǎn)變（組織轉(zhuǎn)變 體積效

33、應(yīng)）體積效應(yīng)）1。確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度：。確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度：溫度變化溫度變化（無(wú)相變）（無(wú)相變）正常膨脹正常膨脹組織變化導(dǎo)致附加膨脹組織變化導(dǎo)致附加膨脹鋼加熱鋼加熱be亞共析鋼亞共析鋼aAc1Ac3Ar1Ar3lT/abae段段: 珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 eb段段：鐵素體溶解于奧氏體鐵素體溶解于奧氏體注注：在確定鋼組織轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)時(shí)在確定鋼組織轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)時(shí)，為使結(jié)果有可比性為使結(jié)果有可比性，除對(duì)鋼的成分除對(duì)鋼的成分有嚴(yán)格要求外有嚴(yán)格要求外，還有下列要求還有下列要求：1。原始組織應(yīng)相同原始組織應(yīng)相同，常用退火態(tài)常用退火態(tài)，晶粒度相同晶粒度相同。2。相同加熱及冷卻速度相同加熱及冷卻

34、速度(一般小于一般小于200 C/h，高合金鋼冷卻速度小于高合金鋼冷卻速度小于120 C/h3。奧氏體化溫度和保溫時(shí)間按要求奧氏體化溫度和保溫時(shí)間按要求保持一致保持一致。1) 。轉(zhuǎn)變點(diǎn)的測(cè)定。轉(zhuǎn)變點(diǎn)的測(cè)定lT/Ac1Ar1lT/Ac1Ar1AccmArcm共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼ab:珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體； bc: 鐵素體溶解于奧氏體；鐵素體溶解于奧氏體；二次滲碳體的存在使高溫區(qū)膨脹曲線明二次滲碳體的存在使高溫區(qū)膨脹曲線明顯拐折；奧氏體膨脹系數(shù)比珠光體顯拐折；奧氏體膨脹系數(shù)比珠光體大大導(dǎo)致斜率增大；二次滲碳體不斷溶解，導(dǎo)致斜率增大；二次滲碳體不斷溶解，使奧氏體含碳量增高，

35、比容增大，使使奧氏體含碳量增高，比容增大，使Arcm兩旁斜率不同。兩旁斜率不同。cb亞共析鋼亞共析鋼aAc1Ac3Ar1Ar3lT/2). 鋼膨脹曲線的分析鋼膨脹曲線的分析2. 研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變（1）測(cè)定過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)曲線）測(cè)定過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)曲線試樣：試樣：退化狀態(tài)的材料制備試樣。退化狀態(tài)的材料制備試樣。奧氏體化溫度：奧氏體化溫度：Ac1+(3050); 或生產(chǎn)中實(shí)際淬火溫度?；蛏a(chǎn)中實(shí)際淬火溫度。保溫時(shí)間：由試樣大小定；保溫時(shí)間：由試樣大小定；(直徑直徑3毫米在空氣中保溫毫米在空氣中保溫510分鐘分鐘)。等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程：等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程：經(jīng)奧氏體化后，經(jīng)奧氏體化后，立即冷卻到等溫溫度；同時(shí)膨立即冷卻到等溫溫度；同時(shí)膨脹儀也從記錄膨脹和溫度的關(guān)脹儀也從記錄膨脹和溫度的關(guān)系切換到記錄膨脹和時(shí)間的關(guān)系。系切換到記錄膨脹和時(shí)間的關(guān)系。等溫條件下試樣的伸長(zhǎng)等溫條件下試樣的伸長(zhǎng)和組織轉(zhuǎn)變數(shù)量成正比和組織轉(zhuǎn)變數(shù)量成正比時(shí)間時(shí)間tlt1OEl溫度溫度TACt2鋼的奧氏體化處理及等鋼的奧氏體化處理及等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程的膨脹曲線溫轉(zhuǎn)變過(guò)程的膨脹曲線等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：過(guò)冷奧氏體在相變溫度等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：