實(shí)驗(yàn)講義十五 材料線膨脹系數(shù)的測定——示差法

1、實(shí)驗(yàn)十五 材料線膨脹系數(shù)的測定示差法概述物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。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

2、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，測定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。目前，測定材料線膨脹系數(shù)的方法很多，有示差法(或稱“石英膨脹計(jì)法”)、雙線法、光干涉法、重量溫度計(jì)法等。在所有這些方法中，以示差法具有廣泛的實(shí)用意義。國內(nèi)外示差法所采用的測試儀器很多，有分立式膨脹儀(如weiss立式膨脹儀)和臥式膨脹儀(如HTV型、UBD型、RPZ1型晶體管式自動熱膨脹儀)兩種。有工廠的定型產(chǎn)品，也有自制的石英膨脹計(jì)。些外，雙線法在生產(chǎn)中也是種

3、快速測量法。本實(shí)驗(yàn)采用示差法。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解測定材料的膨脹曲線對生產(chǎn)的指導(dǎo)意義；2掌握示差法測定熱膨脹系數(shù)的原理和方法，以及測試要點(diǎn)；3利用材料的熱膨脹曲線，確定玻璃材料的特征溫度。二、實(shí)驗(yàn)原理一般的普通材料，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)，其意義是溫度升高1時(shí)單位長度上所增加的長度，單位為厘米厘米·度。假設(shè)物體原來的長度為L0，溫度升高后長度的增加量為L，它們之間存在如下關(guān)系： LL01t（1）式中，1稱為線膨脹系數(shù)，也就是溫度每升高1時(shí)，物體的相對伸長。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

4、的平均增長量為 V1V2）V1（T1T2） (2)式中，為平均體膨脹系數(shù)。 從測試技術(shù)來說，測體膨脹系數(shù)較為復(fù)雜。因此，在討論材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，常常采用線膨脹系數(shù)： （L1L2）L1（T1T2） (3)式中：試樣的平均線膨脹系數(shù)； L1在溫度為T1時(shí)試樣的長度； L2在溫度為T2時(shí)試樣的長度； 與的關(guān)系是 (4)在實(shí)際中忽略高階無窮小，而取一級近似，即3 。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 ) = 5.7×10-7 / k表1 一些材料的膨

5、脹系數(shù)材料名稱線膨脹系數(shù)（10-6K）01000材料名稱線膨脹系數(shù)（10-6K）01000材料名稱線膨脹系數(shù)（10-6K）01000Al3O2BeOMgO莫來石尖晶石氧化鋯8.89.013.55.37.64.2ZrO2TiCB4CSiC石英玻璃鈉鈣硅玻璃107.44.54.70.59.0硼硅玻璃粘土耐火材剛玉瓷硬質(zhì)瓷滑石瓷鈦酸鋇瓷35.555.567910示差法是利用熱穩(wěn)定性良好的材料石英玻璃(棒和管)在較高溫度下，其線膨脹系數(shù)隨溫度改變很小的性質(zhì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，石英玻璃與其中的待測試樣與石英玻璃棒都會發(fā)生膨脹，但是待測試樣的膨脹比石英玻璃管上同樣長度部分的膨脹要大。因而使得與待測試樣相接觸的

6、石英玻璃棒發(fā)生移動，這個(gè)移動是石英玻璃管、石英玻璃棒和待測試樣三者的同 時(shí)伸長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，測定出這個(gè)系統(tǒng)的伸長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，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： L1 = L+ L2根據(jù)定義，待測試樣的線膨脹系數(shù) （L+L2）Lt(LLt)+ (L2Lt)其中 L2Lt石所以石+(LLt)若溫度差為t2t1，則待測試樣的平均線膨脹系數(shù)可按下式

7、計(jì)算： 石+LL(t2-t1)式中：石石英玻璃的平均線膨脹系數(shù)(按下列溫度范圍取值)； 5.710-7度-1（0300） 5.910-7度-1（0400） 5.810-7度-1（01000） 5.9710-7度-1（200700）t1開始測定時(shí)的溫度；t2一般定為300(若需要，也可定為其它溫度)；L試樣的伸長值，即對應(yīng)于溫度t2與t1時(shí)千分表讀數(shù)之差值，以毫米記；L試樣的原始長度，毫米。 圖2玻璃材料的膨脹曲線這樣，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系上作出熱膨脹曲線(如圖2)，就可確定試樣的線膨脹系數(shù)，對于玻璃材料還可以得出其特征溫度Tg與Tf。 三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試樣1石英膨脹儀1-測溫?zé)犭娕?-膨脹儀電

8、爐3-電熱絲4-電流表5-調(diào)壓器6-電爐鐵殼7-鋼柱電爐芯8-待測試棒9-石英玻璃棒10-石英玻璃管11-遮熱板12-鐵制支承架13-千分表 l4-水瓶2-水銀溫度計(jì) 16-電位差計(jì)圖3示差法測定材料膨脹系數(shù)的裝置2小砂輪片、秒表、卡尺；3待測試樣（玻璃、陶瓷等)：(1)必須選取無缺陷材料(對于玻璃，應(yīng)當(dāng)無砂子、條紋、氣泡等)； (2)試樣尺寸依不同儀器的要求而定。例如，一般石英膨脹儀要求試樣直徑為56毫米，長為60±0.1毫米的待測棒；UBD萬能膨脹儀要求試樣直徑為3毫米、長為50±0.1毫米；Welss立式膨脹儀要求試樣直徑為12毫米、長為65±0.1毫米。(

9、3)用小砂輪片磨平試棒兩端，用千分卡尺精確量出長度。四、實(shí)驗(yàn)步驟1接好路線并檢查。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。將所測數(shù)據(jù)記入下表。 表2 測試結(jié)果記錄表 試樣編號： 試樣原始長度L（mm）：試樣溫度t（）千分表讀數(shù)試樣伸長值L（mm）五、數(shù)據(jù)處理1根據(jù)原始數(shù)據(jù)，在直角毫米坐標(biāo)紙中繪出待測材料的線膨脹曲線。確定t1、t2，并根據(jù)t1、t2確定L1、L2。2按公式石+LL(t2-t1)計(jì)算被測材料的平均膨脹系數(shù)。3對于玻璃材料，從熱膨脹曲線上確定其特征溫度Tg和Tf。六、注意事項(xiàng)1被測試樣和石英玻璃棒、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，在加熱測定前要使千分表頂桿緊至指針轉(zhuǎn)動23圈，確定一個(gè)初讀數(shù)。3升溫速度不宜過