第一章熱學(xué)性能

1、1v熱膨脹的物理本質(zhì)熱膨脹的物理本質(zhì)v影響膨脹性能的因素影響膨脹性能的因素v熱膨脹的測(cè)量方法熱膨脹的測(cè)量方法v膨脹分析及應(yīng)用膨脹分析及應(yīng)用本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：2知識(shí)體系：知識(shí)體系：熱膨脹的本質(zhì)熱膨脹的本質(zhì)表征參數(shù)（熱膨脹系數(shù)）表征參數(shù)（熱膨脹系數(shù)）影響熱膨脹系數(shù)的因素影響熱膨脹系數(shù)的因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法熱膨脹測(cè)量方法膨脹分析在材料科學(xué)研究種應(yīng)用膨脹分析在材料科學(xué)研究種應(yīng)用膨脹合金膨脹合金3物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹溫度273K溫度473K溫度573K45 2.1熱膨脹的物理本質(zhì)熱膨脹的物理本質(zhì)本節(jié)主要講授內(nèi)容：本節(jié)

2、主要講授內(nèi)容：1) 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 2) 熱膨脹的物理本質(zhì)熱膨脹的物理本質(zhì)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61、熱膨脹系數(shù)、熱膨脹系數(shù) La 實(shí)驗(yàn)證明，許多固體的長(zhǎng)度隨溫度的升高線性增加，即實(shí)驗(yàn)證明，許多固體的長(zhǎng)度隨溫度的升高線性增加，即式中：式中：l1l1，l2l2為試樣在為試樣在T1,T2T1,T2溫度下的長(zhǎng)度溫度下的長(zhǎng)度 溫度在溫度在T1,T2T1,T2區(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)，其定義為：區(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)，其定義為：)Ta1(l)TT(a1(llllL112L11212112LTT1llla（21）（22）7 當(dāng)當(dāng)T T2 2-T-T1 1-0-0

3、和和l l2 2l l1 100時(shí)，當(dāng)溫度為時(shí)，當(dāng)溫度為T T時(shí)，材料的真實(shí)時(shí)，材料的真實(shí)線膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)：dT1ldlaTTLa 不是一個(gè)常數(shù)，不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的改變而是隨溫度的改變而稍有變化，工程而稍有變化，工程上用上用La（23）812112VTT1VVVadT1VdVaTV同樣材料的體膨脹系數(shù)：同樣材料的體膨脹系數(shù)：對(duì)于各向同性晶體，對(duì)于各向同性晶體， lVa3a對(duì)于各向異性晶體，各晶軸的線膨脹系數(shù)不同，對(duì)于各向異性晶體，各晶軸的線膨脹系數(shù)不同，假如為假如為 ，則，則cbaa,a,acbaVaaaa9常用的是線膨脹系數(shù)，一般固體的膨脹系數(shù)為常用的是線膨脹系數(shù)，一般固體的膨

4、脹系數(shù)為10102 210105 5數(shù)量級(jí)。各種金屬及合金的膨脹系數(shù)在數(shù)量級(jí)。各種金屬及合金的膨脹系數(shù)在10105 510106 6數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)102、熱膨脹的物理本質(zhì)、熱膨脹的物理本質(zhì)晶格振動(dòng)晶格振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)解釋熱容解釋熱容解釋熱膨脹解釋熱膨脹溫度溫度 ，原子間距增大，導(dǎo)致熱膨脹。，原子間距增大，導(dǎo)致熱膨脹?？梢杂酶ヌm克爾雙原子模型解釋可以用弗蘭克爾雙原子模型解釋11r=r0rr012原子間的原子間的作用力作用力吸引力：吸引力：排斥力：排斥力：來(lái)源于正負(fù)電荷的庫(kù)侖引力來(lái)源于正負(fù)電荷的庫(kù)侖引力來(lái)源于正離子與正離子之間來(lái)源于正離子與正離子之間的靜電斥力的靜電斥力來(lái)源于

5、自由電子和自由電子來(lái)源于自由電子和自由電子之間，即泡利不相容原理引之間，即泡利不相容原理引起的排斥力起的排斥力13F F斥斥F F引引，合力為零，處于平衡位置，合力為零，處于平衡位置F F斥斥 F F F引引，合力中斥力占優(yōu)勢(shì)，相互排，合力中斥力占優(yōu)勢(shì)，相互排斥，遠(yuǎn)離斥，遠(yuǎn)離r0r0，合力的變化比較快，合力的變化比較快原子間距原子間距 F F斥下降的比斥下降的比 F F引引快快原子間距原子間距 F F斥增加的比斥增加的比 F F引引快快0rr 0rr 0rr 14兩個(gè)相鄰原子的勢(shì)能（位能）兩個(gè)相鄰原子的勢(shì)能（位能）U U是引力能和斥力能的之和，即：是引力能和斥力能的之和，即：式中：式中：a a

6、，b b是正值常數(shù)；是正值常數(shù)；m m、n n是指數(shù)。對(duì)金屬是指數(shù)。對(duì)金屬m m3 3，nmnm。由此兩個(gè)原子間的作用力：由此兩個(gè)原子間的作用力：令令mamaA,nbA,nbB,B,所以所以nmrbra)r(U（24）1n1mrbnramr)r(U)r(F1n1mrBrA)r(F（25）150r)r(U0r0)r(F0時(shí)時(shí)設(shè)設(shè) 是離開平衡位置的位移，且是離開平衡位置的位移，且 很小，將原子在很小，將原子在r r0 0+ + 處的位處的位能能U U（ r r0 0+ + ）對(duì)平衡位置）對(duì)平衡位置r r0 0，按泰勒級(jí)數(shù)展開：，按泰勒級(jí)數(shù)展開：n0rnn30r3320r220r00rU!n1rU!

7、31rU!21rU!11)r(U)r(U （26）16令：令： ，f f，q q都是常數(shù)都是常數(shù)對(duì)于原子作微小熱振動(dòng)，對(duì)于原子作微小熱振動(dòng)， 很小，如?。汉苄。缛。?原子不動(dòng)原子不動(dòng))0q(qrU,frU0r330r22是常數(shù))r(U0)r(U)r(U017如?。喝缛。簞t則這時(shí)原子作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這時(shí)原子作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，且勢(shì)能曲線為拋物型，且勢(shì)能曲線為拋物型，在在r r0 0左右對(duì)稱，溫度左右對(duì)稱，溫度 ，只能使振幅增大，只能使振幅增大，平衡位置不變，不會(huì)平衡位置不變，不會(huì)產(chǎn)生熱膨脹產(chǎn)生熱膨脹。 （27）frrUrF)()(20f21)r (U) r (U18如如?。喝。哼@時(shí)原子作非線性振動(dòng)，這時(shí)原

8、子作非線性振動(dòng)，在在r r0 0左右不對(duì)稱。左右不對(duì)稱。320q61f21)r (U) r (U（28）位能最小，動(dòng)能最大位能最小，動(dòng)能最大 位能等于總能量，動(dòng)能為零位能等于總能量，動(dòng)能為零0rr arr brr 19在位能圖上畫水平直線在位能圖上畫水平直線U1,U2,U1,U2,直線與橫軸的距直線與橫軸的距離代表不同溫度離代表不同溫度T1,T2,T1,T2,下原子振動(dòng)的總能量。下原子振動(dòng)的總能量。當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為T1T1時(shí)，原子的振動(dòng)位置從時(shí)，原子的振動(dòng)位置從a a變化到變化到b b，在，在這個(gè)過(guò)程中位能按這個(gè)過(guò)程中位能按a a、b b間的曲線變化。間的曲線變化。 由于曲線在由于曲線在aba

9、b之間的形狀不對(duì)稱，原子的平衡位之間的形狀不對(duì)稱，原子的平衡位置不在置不在r rr r0 0處，而在處，而在r rr r0 0當(dāng)溫度升高到當(dāng)溫度升高到T T2 2時(shí)，時(shí)，原子平均位置移到原子平均位置移到r rr r0 0處（即向右移）。溫度處（即向右移）。溫度升高，振動(dòng)能量加大，原子的平均位置移的愈遠(yuǎn)。升高，振動(dòng)能量加大，原子的平均位置移的愈遠(yuǎn)。說(shuō)明晶體的原子間距增大，線度加大，發(fā)生熱膨說(shuō)明晶體的原子間距增大，線度加大，發(fā)生熱膨脹。脹。20 熱膨脹是由于原子間相互作用位能曲線的熱膨脹是由于原子間相互作用位能曲線的不對(duì)稱性，使得溫度升高時(shí)原子振動(dòng)中心發(fā)生不對(duì)稱性，使得溫度升高時(shí)原子振動(dòng)中心發(fā)生位

10、移而產(chǎn)生的，即由原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)產(chǎn)生的。位移而產(chǎn)生的，即由原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)產(chǎn)生的。 從原子尺度看，熱膨脹與原子振動(dòng)相關(guān)。從原子尺度看，熱膨脹與原子振動(dòng)相關(guān)。因此，組成固體的那些原子（或分子）相互之因此，組成固體的那些原子（或分子）相互之間的化學(xué)鍵合作用和物理鍵合作用，必然對(duì)熱間的化學(xué)鍵合作用和物理鍵合作用，必然對(duì)熱膨脹有重要作用。結(jié)合能越大，則原子從其平膨脹有重要作用。結(jié)合能越大，則原子從其平均位置發(fā)生位移以后的位能（或復(fù)位的吸引力、均位置發(fā)生位移以后的位能（或復(fù)位的吸引力、排斥力）增加得越急劇，相應(yīng)地膨脹系數(shù)越小。排斥力）增加得越急劇，相應(yīng)地膨脹系數(shù)越小。21用原子振動(dòng)模型來(lái)描述熱學(xué)性能，可

11、否將熱用原子振動(dòng)模型來(lái)描述熱學(xué)性能，可否將熱膨脹等同于溫度升高時(shí)原子振幅的增加膨脹等同于溫度升高時(shí)原子振幅的增加? ? 思考題：思考題：223、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 格留乃申根據(jù)晶格振動(dòng)理論導(dǎo)出熱膨脹系數(shù)與熱容格留乃申根據(jù)晶格振動(dòng)理論導(dǎo)出熱膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系為：的關(guān)系為：式中：式中：V V：體積，：體積， 格留乃申常數(shù)，格留乃申常數(shù)，k kv v 體積彈性模量體積彈性模量一般一般 在在1.51.52.52.5之間。之間。a a v v，a a l l與與CvCv成正比。成正比。1 1）熱膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系熱膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系VkCaVVVVk3CaV

12、Vl（29）23242 2）熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)的關(guān)系熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)的關(guān)系 格留乃申提出了固態(tài)的體熱膨脹極限方程：格留乃申提出了固態(tài)的體熱膨脹極限方程：式中：式中：V VT T為熔點(diǎn)溫度固態(tài)金屬的體積；為熔點(diǎn)溫度固態(tài)金屬的體積；V V0 0為為0K0K時(shí)金屬的時(shí)金屬的體積體積 , ,對(duì)于對(duì)于BCCBCC和和HCPHCP的金屬的金屬C C為常數(shù)，一般在為常數(shù)，一般在0.060.060.070.07之間。之間。CVVVaT00TVm（210）251 1）固態(tài)體積增大大于）固態(tài)體積增大大于6 6時(shí)，晶體之間的結(jié)合時(shí)，晶體之間的結(jié)合力已經(jīng)很弱，因而固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。力已經(jīng)很弱，因而固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。2 2）a

13、a v v愈小，愈小，TmTm愈高愈高 線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式表示：式表示： a al l T Tm m0.0220.022注意注意26良好的方法能使我們更好地發(fā)揮運(yùn)用天賦的才能，而拙劣的方法則可能阻攔才能的發(fā)揮。因此，科學(xué)中難能可貴的創(chuàng)造才華，由于方法拙劣可能被削弱，甚至被扼殺；而良好的方法則會(huì)增長(zhǎng)、促進(jìn)這種才華。.Claude Bernard 比起許多研究同樣問(wèn)題的人，我有一個(gè)極大的有利條件，那就是：我沒(méi)有被長(zhǎng)期既定的慣例所形成的固定觀念束縛思想，造成偏見。我也未受害于現(xiàn)存一切都是對(duì)的那種普遍信念。.Hery Bessemer 要有獨(dú)到之

14、見必需多思少讀。但這是不可能的，因?yàn)樵趯W(xué)會(huì)思考之前勢(shì)必先已閱讀。 .George Gordon Byron 27 2.2影響影響膨脹性能的因素膨脹性能的因素本節(jié)主要講授內(nèi)容：本節(jié)主要講授內(nèi)容：1) 相變的影響相變的影響 2) 合金成分和組織的影響合金成分和組織的影響3) 鋼的膨脹特性鋼的膨脹特性281、相變的影響、相變的影響 29一級(jí)相變：一級(jí)相變： 比容突變，比容突變，膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)有不連續(xù)的變化，在有不連續(xù)的變化，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)為無(wú)窮大。轉(zhuǎn)變點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)為無(wú)窮大。二級(jí)相變：無(wú)比容突變，即在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處膨脹系數(shù)二級(jí)相變：無(wú)比容突變，即在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處膨脹系數(shù)曲線上有折點(diǎn)曲線上有折點(diǎn)比比容容m

15、3/ kg-Fe 912 -Fe 912 -FeFe-Fe 1394 -Fe-Fe 1394 -Fe比容比容: :-Fe =-Fe -Fe =-Fe -Fe-Fe30312、合金的成分和組織的影響、合金的成分和組織的影響 1) 形成固溶體形成固溶體 元素的膨脹元素的膨脹系數(shù)，堿金系數(shù)，堿金屬最大，屬最大，過(guò)渡簇金屬過(guò)渡簇金屬的最小的最小 a 106,1/K32固溶體中溶質(zhì)元素的膨脹固溶體中溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)高于基體時(shí)，增大膨系數(shù)高于基體時(shí)，增大膨脹系數(shù)；脹系數(shù)；固溶體中溶質(zhì)元素的膨脹固溶體中溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)低于基體時(shí)，減小膨系數(shù)低于基體時(shí)，減小膨脹系數(shù)；脹系數(shù)；含量越高，影響越大；含量越高，

16、影響越大；兩組元形成無(wú)限固溶體：兩組元形成無(wú)限固溶體：任意成分的固溶體的膨脹任意成分的固溶體的膨脹系數(shù)將處于兩組元之間，系數(shù)將處于兩組元之間，并略低于按直線規(guī)律計(jì)算并略低于按直線規(guī)律計(jì)算出的值出的值332) 形成化合物形成化合物 化合物的膨脹系數(shù)比固溶有較大的下降?；衔锏呐蛎浵禂?shù)比固溶有較大的下降。3) 形成多相合金形成多相合金 多相合金若是多相的機(jī)械混合物，則其膨脹系數(shù)介于這多相合金若是多相的機(jī)械混合物，則其膨脹系數(shù)介于這些相膨脹系數(shù)之間，并近似地符合直線規(guī)律。些相膨脹系數(shù)之間，并近似地符合直線規(guī)律。當(dāng)兩相地彈性模量比較接近時(shí)，當(dāng)兩相地彈性模量比較接近時(shí)，aav1+av2當(dāng)兩相地彈性模量相

17、差較大時(shí)，當(dāng)兩相地彈性模量相差較大時(shí)，2211222111EVEVEVaEVaa膨脹系數(shù)與組織分布不敏感，主要取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量膨脹系數(shù)與組織分布不敏感，主要取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量344) 鐵和鋼的的合金元素鐵和鋼的的合金元素 Mn和和Sn的膨脹系數(shù)比鐵大，的膨脹系數(shù)比鐵大， 使鐵的膨脹系數(shù)增大；使鐵的膨脹系數(shù)增大； Cr,V和和Ni的膨脹系數(shù)比鐵小，使鐵的膨脹系數(shù)減小的膨脹系數(shù)比鐵小，使鐵的膨脹系數(shù)減小35合金元素在鋼中的存在形式有兩種合金元素在鋼中的存在形式有兩種溶解于鋼中的基本相（鐵素體、奧氏體和溶解于鋼中的基本相（鐵素體、奧氏體和滲碳體）滲碳體）形成特殊碳化物（如形成特殊碳化物

18、（如VC、TiC、Cr23C6等）等）形成固溶體使鋼的膨脹系數(shù)下降形成固溶體使鋼的膨脹系數(shù)下降形成碳化物使鋼的膨脹系數(shù)增大形成碳化物使鋼的膨脹系數(shù)增大363、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。鋼的膨脹特性取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。鋼的組織中：鋼的組織中： 比體積（比體積（1/ )由大到?。河纱蟮叫。篗 Fe3C F A 其中：其中： Fe3C和和 F的比體積有固定值，而的比體積有固定值，而M和和 A 的比體積隨含碳量的增加而增加。的比體積隨含碳量的增加而增加。 膨脹系數(shù)由大到小：膨脹系數(shù)由大到小： A F Fe3C M 通常鋼的膨脹系數(shù)為（通常鋼的膨脹系數(shù)為（10

19、25） 106K-13738 2.3熱熱膨脹性的測(cè)量方法膨脹性的測(cè)量方法本節(jié)主要講授內(nèi)容：本節(jié)主要講授內(nèi)容：1) 光學(xué)膨脹儀光學(xué)膨脹儀2) 電測(cè)式膨脹儀電測(cè)式膨脹儀39膨脹測(cè)量：高靈敏度（膨脹測(cè)量：高靈敏度（ l/l高達(dá)高達(dá)1012）、）、高精度高精度測(cè)量膨脹所用的儀器稱為膨脹儀。測(cè)量膨脹所用的儀器稱為膨脹儀。膨脹儀測(cè)量：膨脹儀測(cè)量： 1) lT;2) l-t）根據(jù)測(cè)量原理根據(jù)測(cè)量原理機(jī)械放大膨脹儀機(jī)械放大膨脹儀光學(xué)放大膨脹儀光學(xué)放大膨脹儀電磁放大膨脹儀電磁放大膨脹儀401、光學(xué)膨脹儀、光學(xué)膨脹儀普通光學(xué)杠桿式膨脹儀普通光學(xué)杠桿式膨脹儀示差光學(xué)杠桿式膨脹儀示差光學(xué)杠桿式膨脹儀光干涉法膨脹儀光干

20、涉法膨脹儀1）普通光學(xué)杠）普通光學(xué)杠桿式膨脹儀桿式膨脹儀41主要裝置：主要裝置：（1）一塊小的等腰直角三角架組成的光學(xué)杠桿）一塊小的等腰直角三角架組成的光學(xué)杠桿（2）三角架中有一凹面鏡，起反射光束的作用）三角架中有一凹面鏡，起反射光束的作用（3）在三角架的頂點(diǎn)）在三角架的頂點(diǎn)A安置一個(gè)固定鉸鏈安置一個(gè)固定鉸鏈（4）頂點(diǎn)）頂點(diǎn)B和頂點(diǎn)和頂點(diǎn)C分別裝有標(biāo)準(zhǔn)樣和待測(cè)試樣的分別裝有標(biāo)準(zhǔn)樣和待測(cè)試樣的傳感石英桿緊密接觸傳感石英桿緊密接觸42原理：原理：（1）若待測(cè)試樣長(zhǎng)度不變，只有標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱）若待測(cè)試樣長(zhǎng)度不變，只有標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱中伸長(zhǎng)時(shí)，則三角架以中伸長(zhǎng)時(shí)，則三角架以AB為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由此通過(guò)凹為軸轉(zhuǎn)

21、動(dòng)，由此通過(guò)凹面鏡反射到照相機(jī)底片上的光點(diǎn)沿著水平方向移動(dòng)，面鏡反射到照相機(jī)底片上的光點(diǎn)沿著水平方向移動(dòng)，用以記錄試樣溫度的變化。用以記錄試樣溫度的變化。（2）若標(biāo)準(zhǔn)樣長(zhǎng)度不變，僅待測(cè)試樣加熱伸長(zhǎng)時(shí)，）若標(biāo)準(zhǔn)樣長(zhǎng)度不變，僅待測(cè)試樣加熱伸長(zhǎng)時(shí)，則三角架以則三角架以AC為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿垂直方向移為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿垂直方向移動(dòng)，用以記錄膨脹量。動(dòng)，用以記錄膨脹量。（3）若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時(shí)受熱膨脹時(shí)，則反射光）若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時(shí)受熱膨脹時(shí)，則反射光點(diǎn)便在照相底片上畫出了如圖的膨脹曲線。點(diǎn)便在照相底片上畫出了如圖的膨脹曲線。43標(biāo)準(zhǔn)樣伸長(zhǎng)量待測(cè)樣伸長(zhǎng)量yxABCO廣泛適用的膨脹儀廣泛適用的膨脹儀之

22、一，可將伸長(zhǎng)量之一，可將伸長(zhǎng)量放大放大200，400，800倍倍44標(biāo)準(zhǔn)樣的功能是跟蹤和指示待測(cè)試樣的溫度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣的功能是跟蹤和指示待測(cè)試樣的溫度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣的選取的要求：樣的選取的要求：（1）其膨脹量與溫度成正比，具有較大的膨脹系數(shù)。）其膨脹量與溫度成正比，具有較大的膨脹系數(shù)。（2）在使用的溫度范圍內(nèi)沒(méi)有相變，而且不易氧化。）在使用的溫度范圍內(nèi)沒(méi)有相變，而且不易氧化。（3）與試樣的導(dǎo)熱率接近）與試樣的導(dǎo)熱率接近（3）盡量使試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的形狀和尺寸相同）盡量使試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的形狀和尺寸相同在研究有色金屬及合金時(shí)：在研究有色金屬及合金時(shí)： 常用純銅和純鋁作標(biāo)準(zhǔn)樣常用純銅和純鋁作標(biāo)準(zhǔn)樣在研究鋼鐵

23、材料時(shí)：在研究鋼鐵材料時(shí)： 常用鎳鉻合金和皮洛斯合金常用鎳鉻合金和皮洛斯合金452）示差光學(xué)杠桿式膨脹儀）示差光學(xué)杠桿式膨脹儀三角架的形狀，是一個(gè)具有三角架的形狀，是一個(gè)具有300和和600的直角三角形的直角三角形46原理：原理：（1）若標(biāo)準(zhǔn)樣長(zhǎng)度不變，僅待測(cè)試樣加熱伸長(zhǎng)時(shí)，則三角）若標(biāo)準(zhǔn)樣長(zhǎng)度不變，僅待測(cè)試樣加熱伸長(zhǎng)時(shí)，則三角架以架以AC為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿垂直方向移動(dòng)，用以記錄膨?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿垂直方向移動(dòng)，用以記錄膨脹量。脹量。 0B代表試樣的伸長(zhǎng)；代表試樣的伸長(zhǎng)；（2）若待測(cè)試樣長(zhǎng)度不變，只有標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱中伸長(zhǎng)時(shí)，）若待測(cè)試樣長(zhǎng)度不變，只有標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱中伸長(zhǎng)時(shí)，則三角架以則三角

24、架以BC為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿著與水平方向成為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿著與水平方向成a角的角的方向移動(dòng)，方向移動(dòng)，0A代表標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長(zhǎng)代表標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長(zhǎng)（3）若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時(shí)受熱膨脹時(shí)，則反射光點(diǎn)的位置）若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時(shí)受熱膨脹時(shí)，則反射光點(diǎn)的位置應(yīng)在應(yīng)在C點(diǎn)，此時(shí)：點(diǎn)，此時(shí)：即即CC為標(biāo)準(zhǔn)樣伸長(zhǎng)在縱軸上的投影與試樣伸長(zhǎng)之差，故為為標(biāo)準(zhǔn)樣伸長(zhǎng)在縱軸上的投影與試樣伸長(zhǎng)之差，故為示差。示差。OBOASinaCC47示差原理圖yxABCOaC48492、電測(cè)式膨脹儀、電測(cè)式膨脹儀1）應(yīng)變電阻式膨脹儀）應(yīng)變電阻式膨脹儀 把試樣的長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，然后再把試樣的長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，然后再進(jìn)行

25、電信號(hào)的處理和記錄。進(jìn)行電信號(hào)的處理和記錄。應(yīng)變電阻式膨脹儀應(yīng)變電阻式膨脹儀電感式膨脹儀電感式膨脹儀電容式膨脹儀電容式膨脹儀 原理：膨脹量原理：膨脹量 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杞z長(zhǎng)度的變化，若把轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杞z長(zhǎng)度的變化，若把電阻絲接到電橋上，則其電阻變化將導(dǎo)致電流、電電阻絲接到電橋上，則其電阻變化將導(dǎo)致電流、電壓的變化，通過(guò)電流、電壓的變化再推算出試樣長(zhǎng)壓的變化，通過(guò)電流、電壓的變化再推算出試樣長(zhǎng)度隨溫度變化。度隨溫度變化。靈敏度高，穩(wěn)定性差。靈敏度高，穩(wěn)定性差。502）電感式膨脹儀）電感式膨脹儀 放大倍數(shù)放大倍數(shù)6000倍，又稱差動(dòng)變壓器式膨脹儀倍，又稱差動(dòng)變壓器式膨脹儀原理：原理：（1）當(dāng)試樣未加熱時(shí)，鐵

26、芯處于平衡位置。差動(dòng)變）當(dāng)試樣未加熱時(shí)，鐵芯處于平衡位置。差動(dòng)變壓器輸出為零壓器輸出為零（2）當(dāng)試樣受熱膨脹時(shí)，通過(guò)石英桿使鐵芯上升，）當(dāng)試樣受熱膨脹時(shí)，通過(guò)石英桿使鐵芯上升，差動(dòng)變壓器次級(jí)線圈差動(dòng)變壓器次級(jí)線圈2中的上部線圈的電感增加，下中的上部線圈的電感增加，下部的電感減少，于是方向相接兩個(gè)次級(jí)線圈中便有部的電感減少，于是方向相接兩個(gè)次級(jí)線圈中便有電壓輸出，這個(gè)信號(hào)電壓與試樣的伸長(zhǎng)呈線性關(guān)系。電壓輸出，這個(gè)信號(hào)電壓與試樣的伸長(zhǎng)呈線性關(guān)系。5152 2.4膨脹分析及應(yīng)用膨脹分析及應(yīng)用本節(jié)主要講授內(nèi)容：本節(jié)主要講授內(nèi)容：1) 確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度 2) 研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變研究

27、鋼的等溫轉(zhuǎn)變531、 確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度 1）轉(zhuǎn)變點(diǎn)的測(cè)定）轉(zhuǎn)變點(diǎn)的測(cè)定試樣在加熱和冷卻過(guò)程中的長(zhǎng)度變化來(lái)自兩個(gè)方面：試樣在加熱和冷卻過(guò)程中的長(zhǎng)度變化來(lái)自兩個(gè)方面：（1）單純由溫度變化引起的膨脹收縮）單純由溫度變化引起的膨脹收縮（2）組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積效應(yīng)）組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積效應(yīng)在組織轉(zhuǎn)變前后，試樣的膨脹或收縮是單純由溫度引起在組織轉(zhuǎn)變前后，試樣的膨脹或收縮是單純由溫度引起;在組織轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，溫度引起的在組織轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，溫度引起的 + 組織轉(zhuǎn)變引起的組織轉(zhuǎn)變引起的體積效應(yīng)，由于這個(gè)附加的體積效應(yīng)，導(dǎo)致了膨脹曲線體積效應(yīng)，由于這個(gè)附加的體積效應(yīng)，導(dǎo)致了膨脹曲線偏離了

28、一般規(guī)律，在組織轉(zhuǎn)變的開始和終了時(shí)，曲線便偏離了一般規(guī)律，在組織轉(zhuǎn)變的開始和終了時(shí)，曲線便出現(xiàn)了拐折，拐折點(diǎn)即對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變的開始及終了溫度。出現(xiàn)了拐折，拐折點(diǎn)即對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變的開始及終了溫度。54 lT/KTalL552）碳鋼膨脹曲線分析）碳鋼膨脹曲線分析P-A 體積收縮體積收縮 一級(jí)相變一級(jí)相變F-A 體積收縮體積收縮 二級(jí)相變二級(jí)相變Fe3C-A 體積收縮體積收縮 二級(jí)相變二級(jí)相變5657測(cè)定碳的臨界點(diǎn)的方法測(cè)定碳的臨界點(diǎn)的方法1）切線法）切線法2）極值法）極值法582、 研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變 1）等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線測(cè)定）等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線測(cè)定592）等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的確定及）等溫轉(zhuǎn)

29、變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的確定及TTT曲線的繪制曲線的繪制a）等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的確定）等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的確定%1000llm式中：式中： lA轉(zhuǎn)變量為轉(zhuǎn)變量為100時(shí)伴隨試樣的膨脹量時(shí)伴隨試樣的膨脹量 l0時(shí)間為時(shí)間為 時(shí)時(shí)A等溫轉(zhuǎn)變伴隨試樣的膨脹量等溫轉(zhuǎn)變伴隨試樣的膨脹量0ll實(shí)實(shí)際上：實(shí)際上：6061b)TTT曲線的繪制曲線的繪制623）M轉(zhuǎn)變點(diǎn)轉(zhuǎn)變點(diǎn)MS的測(cè)定的測(cè)定633、 研究鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變研究鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變 64膨脹合金膨脹合金expansion alloyexpansion alloy 具有反常熱膨脹特性或可控?zé)崤蛎浱匦缘木芎暇哂蟹闯崤蛎浱匦曰蚩煽責(zé)崤蛎浱匦缘木芎辖稹Ｓ址Q熱膨脹合金

30、。一般的金屬或合金受熱膨脹時(shí)，金。又稱熱膨脹合金。一般的金屬或合金受熱膨脹時(shí)，其膨脹量隨溫度的升高呈線性增加。但有些合金的熱其膨脹量隨溫度的升高呈線性增加。但有些合金的熱膨脹曲線在某一溫度出現(xiàn)彎曲點(diǎn)，在彎曲點(diǎn)以下的熱膨脹曲線在某一溫度出現(xiàn)彎曲點(diǎn)，在彎曲點(diǎn)以下的熱膨脹系數(shù)比彎曲點(diǎn)以上的正常熱膨脹系數(shù)低得多，這膨脹系數(shù)比彎曲點(diǎn)以上的正常熱膨脹系數(shù)低得多，這種現(xiàn)象稱為反常熱膨脹特性。膨脹合金按線膨脹系數(shù)種現(xiàn)象稱為反常熱膨脹特性。膨脹合金按線膨脹系數(shù)的高低分為的高低分為3類。類。65低膨脹合金。線膨脹系數(shù)低于低膨脹合金。線膨脹系數(shù)低于310-6 。通常。通常金屬的線膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)成反比，低膨脹合金在居里金屬的線膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)成反比，低膨脹合金在居里點(diǎn)以下磁致伸縮效應(yīng)引起的脹縮，抵消了熱脹冷縮效點(diǎn)以下磁致伸縮效應(yīng)引起的脹縮，抵消了熱脹冷縮效應(yīng)，致使合金成為零膨脹或低膨脹。常用的低膨脹合應(yīng)，致使合金成為零膨脹或低膨脹。常用的低膨脹合金是因瓦（金是因瓦（Invar）合金（）合金（FeNi36） ，其室溫附近的，其室溫附近的平