材料的膨脹系數(shù)ppt課件

1、材料線(xiàn)膨脹系數(shù)測(cè)定材料線(xiàn)膨脹系數(shù)測(cè)定主講：主講： 伍伍 洪洪 標(biāo)標(biāo) 目目 錄錄一目的意義一目的意義二材料的熱膨脹系數(shù)二材料的熱膨脹系數(shù)三材料熱膨脹系數(shù)的三材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法檢測(cè)方法四示差法的測(cè)定原理四示差法的測(cè)定原理五實(shí)驗(yàn)過(guò)程五實(shí)驗(yàn)過(guò)程六主要影響因素討論六主要影響因素討論七實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理七實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理一目的意義熱膨脹 物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱(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)。提高材料的熱穩(wěn)定性 降低材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，提高材料的熱穩(wěn)定性，提高材料的使用安全性。提高材料的強(qiáng)度 如果層狀物由兩種材料迭置連接而成，則溫度變化時(shí)

2、，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。 例：夾層玻璃目的意義焊接或熔接 當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，都要求二種材料具備相近的膨脹系數(shù)。 如兩種不同金屬的焊接，玻璃儀器的焊接加工，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。目的意義 合理使用材料 精密

3、儀器小型、大型），選用膨脹系數(shù)小的材料 例：大型加工機(jī)械 水泥路面 鋼鐵大橋 水泥大橋 大型建筑物 因此，測(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。 二材料的熱膨脹系數(shù) 材料的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱(chēng)為熱膨脹。熱膨脹通常用熱膨脹系數(shù)表示。 1. 體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)V）：）： 相當(dāng)于溫度升高相當(dāng)于溫度升高1時(shí)物體體積的時(shí)物體體積的相對(duì)增大值。相對(duì)增大值。 由于總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的每由于總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的每個(gè)粒子都在振動(dòng)。個(gè)粒子都在振動(dòng)。 當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)，由于溫度升高，當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)，由于溫度升高，每個(gè)粒子的熱能增大，導(dǎo)致振幅也每個(gè)粒子的熱能增大，導(dǎo)致振幅也隨之增大，由非簡(jiǎn)諧力相互結(jié)隨之

4、增大，由非簡(jiǎn)諧力相互結(jié)合的兩個(gè)原子之間的距離也隨之增合的兩個(gè)原子之間的距離也隨之增大，物質(zhì)就發(fā)生膨脹。大，物質(zhì)就發(fā)生膨脹。物質(zhì)的熱膨脹是由非簡(jiǎn)諧非物質(zhì)的熱膨脹是由非簡(jiǎn)諧非線(xiàn)性振動(dòng)引起的。線(xiàn)性振動(dòng)引起的。 設(shè)試體為一立方體，邊長(zhǎng)為設(shè)試體為一立方體，邊長(zhǎng)為L(zhǎng) 。當(dāng)溫度從。當(dāng)溫度從T1上升到上升到T2時(shí)，時(shí)，體積也從體積也從V1上升到上升到V2 ，體膨脹系數(shù)，體膨脹系數(shù) 由于膨脹系數(shù)一般比較小，可忽略高階無(wú)窮小。取一級(jí)近似： = 3 在測(cè)量技術(shù)上，體膨脹比較難測(cè)，通常應(yīng)用以上關(guān)系來(lái)估算材料的體膨脹系數(shù)，已足夠精確。2. 2. 線(xiàn)膨脹系數(shù)線(xiàn)膨脹系數(shù)LL）：）： 在實(shí)際工作中一般都是測(cè)定材料的線(xiàn)熱膨脹系

5、數(shù)。在實(shí)際工作中一般都是測(cè)定材料的線(xiàn)熱膨脹系數(shù)。所以對(duì)于普通材料，通常所說(shuō)膨脹系數(shù)是指線(xiàn)膨脹系數(shù)。所以對(duì)于普通材料，通常所說(shuō)膨脹系數(shù)是指線(xiàn)膨脹系數(shù)。 線(xiàn)膨脹系數(shù)是指溫度升高線(xiàn)膨脹系數(shù)是指溫度升高11后，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。后，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。 設(shè)試體在一個(gè)方向的長(zhǎng)度為設(shè)試體在一個(gè)方向的長(zhǎng)度為L(zhǎng) L 。當(dāng)溫度從。當(dāng)溫度從T1T1上升上升到到T2T2時(shí)，長(zhǎng)度也從時(shí)，長(zhǎng)度也從L1L1上升到上升到L2 L2 ，則平均線(xiàn)膨脹系數(shù)，則平均線(xiàn)膨脹系數(shù) 無(wú)機(jī)材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)一般都不大，無(wú)機(jī)材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)一般都不大，數(shù)量級(jí)約為數(shù)量級(jí)約為10-5-10-6/K。 實(shí)際上，無(wú)機(jī)非金屬材料的體積膨脹系數(shù)實(shí)際上，無(wú)機(jī)非金

6、屬材料的體積膨脹系數(shù)V 、線(xiàn)、線(xiàn)膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)L并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度稍有變化，并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度稍有變化，通常隨溫度升高而增大。通常隨溫度升高而增大。 瞬時(shí)線(xiàn)膨脹系數(shù)為瞬時(shí)線(xiàn)膨脹系數(shù)為幾種無(wú)機(jī)材料的熱膨脹曲線(xiàn)幾種無(wú)機(jī)材料的熱膨脹曲線(xiàn)如果金屬在加熱或冷卻的過(guò)如果金屬在加熱或冷卻的過(guò)程中發(fā)生相變，由于不同組程中發(fā)生相變，由于不同組成的比容差異，將引起熱膨成的比容差異，將引起熱膨脹的異常，這種異常的膨脹脹的異常，這種異常的膨脹系數(shù)為研究材料中的組織轉(zhuǎn)系數(shù)為研究材料中的組織轉(zhuǎn)變提供了重要的信息。變提供了重要的信息。研究金屬熱膨脹的另一方面研究金屬熱膨脹的另一方面興趣來(lái)自于儀表對(duì)材料熱膨

7、興趣來(lái)自于儀表對(duì)材料熱膨脹性能的特殊要求。脹性能的特殊要求。例如，作為尺寸穩(wěn)定零件的例如，作為尺寸穩(wěn)定零件的微波設(shè)備諧振腔、精密計(jì)時(shí)微波設(shè)備諧振腔、精密計(jì)時(shí)器和宇宙航行雷達(dá)天線(xiàn)等，器和宇宙航行雷達(dá)天線(xiàn)等，都要求在氣溫變動(dòng)范圍內(nèi)具都要求在氣溫變動(dòng)范圍內(nèi)具有一定的膨脹系數(shù)的合金；有一定的膨脹系數(shù)的合金；電真空技術(shù)中為了與玻璃、電真空技術(shù)中為了與玻璃、陶瓷、云母、人造寶石等氣陶瓷、云母、人造寶石等氣密封接要求具有很低膨脹系密封接要求具有很低膨脹系數(shù)的合金；用于制造熱敏性數(shù)的合金；用于制造熱敏性元件的雙金屬卻要求高膨脹元件的雙金屬卻要求高膨脹合金。合金。這就需要研究化學(xué)成分和組這就需要研究化學(xué)成分和組

8、織結(jié)構(gòu)對(duì)合金膨脹系數(shù)的影織結(jié)構(gòu)對(duì)合金膨脹系數(shù)的影響。響。根據(jù)原子熱振動(dòng)概念的熱容理論，格留涅辛進(jìn)行計(jì)算。在沒(méi)有相變時(shí)，膨根據(jù)原子熱振動(dòng)概念的熱容理論，格留涅辛進(jìn)行計(jì)算。在沒(méi)有相變時(shí)，膨脹系數(shù)隨溫度的升高連續(xù)增大。脹系數(shù)隨溫度的升高連續(xù)增大。但對(duì)鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬，在溫度靠近居里溫度時(shí)，膨脹系數(shù)出現(xiàn)明顯但對(duì)鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬，在溫度靠近居里溫度時(shí)，膨脹系數(shù)出現(xiàn)明顯的反常。的反常。其中鎳和鈷的膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)值高于理論值，如圖其中鎳和鈷的膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)值高于理論值，如圖5-17所示，稱(chēng)為正反常，而所示，稱(chēng)為正反常，而鐵的實(shí)驗(yàn)值低于理論值，稱(chēng)為負(fù)反常。鐵的實(shí)驗(yàn)值低于理論值，稱(chēng)為負(fù)反常。相變研究是材料科

9、學(xué)中的一項(xiàng)相變研究是材料科學(xué)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究工作，而相變臨界點(diǎn)基礎(chǔ)研究工作，而相變臨界點(diǎn)的測(cè)定對(duì)于每一個(gè)新鋼種或的測(cè)定對(duì)于每一個(gè)新鋼種或合金總是不可缺少的。合金總是不可缺少的。以鋼鐵為例，由于在加熱和冷以鋼鐵為例，由于在加熱和冷卻過(guò)程中存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，卻過(guò)程中存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)，因而采產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)，因而采用膨脹的測(cè)量來(lái)確定變相溫度用膨脹的測(cè)量來(lái)確定變相溫度是一個(gè)很有效的方法。根據(jù)膨是一個(gè)很有效的方法。根據(jù)膨脹曲線(xiàn)來(lái)確定鋼中脹曲線(xiàn)來(lái)確定鋼中a r 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度。溫度。取熱膨脹曲線(xiàn)上偏離純熱膨脹取熱膨脹曲線(xiàn)上偏離純熱膨脹的點(diǎn)的點(diǎn)a、c 對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變

10、點(diǎn)。 b、d對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。取加熱與冷卻曲線(xiàn)上的四個(gè)極取加熱與冷卻曲線(xiàn)上的四個(gè)極值點(diǎn)值點(diǎn)a、 b 、d 、 c對(duì)應(yīng)的溫對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。度為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。三材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法三材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法 人類(lèi)很早十八世紀(jì)就測(cè)定固體的熱膨脹。當(dāng)時(shí)的測(cè)人類(lèi)很早十八世紀(jì)就測(cè)定固體的熱膨脹。當(dāng)時(shí)的測(cè)定裝置很原始：水平放置約定裝置很原始：水平放置約15厘米長(zhǎng)的試樣，下面點(diǎn)燃幾支厘米長(zhǎng)的試樣，下面點(diǎn)燃幾支蠟燭加熱，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)放大來(lái)確定試樣長(zhǎng)度的變化。蠟燭加熱，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)放大來(lái)確定試樣長(zhǎng)度的變化。 十九世紀(jì)到現(xiàn)在，人們創(chuàng)造了許多測(cè)定方法。上世紀(jì)十九世紀(jì)到現(xiàn)在，人們創(chuàng)造了許多測(cè)定方

11、法。上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光法，出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)控制或記錄處理測(cè)定數(shù)年代出現(xiàn)了激光法，出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)控制或記錄處理測(cè)定數(shù)據(jù)的測(cè)量?jī)x器。據(jù)的測(cè)量?jī)x器。 測(cè)定無(wú)機(jī)非金屬材料熱膨脹系數(shù)常用：千分表法、熱機(jī)測(cè)定無(wú)機(jī)非金屬材料熱膨脹系數(shù)常用：千分表法、熱機(jī)械法光學(xué)法、電磁感應(yīng)法）、體積法械法光學(xué)法、電磁感應(yīng)法）、體積法 等。等。 它們的共同點(diǎn)都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過(guò)頂桿它們的共同點(diǎn)都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過(guò)頂桿將膨脹傳遞到檢測(cè)系統(tǒng)。不同之處在于檢測(cè)系統(tǒng)。將膨脹傳遞到檢測(cè)系統(tǒng)。不同之處在于檢測(cè)系統(tǒng)。 千分表法是用千分表直接測(cè)量試樣的伸長(zhǎng)量。千分表法是用千分表直接測(cè)量試樣的伸長(zhǎng)量。 光學(xué)熱機(jī)械法

12、是通過(guò)頂桿的伸長(zhǎng)量來(lái)推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反光學(xué)熱機(jī)械法是通過(guò)頂桿的伸長(zhǎng)量來(lái)推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)光學(xué)放大系統(tǒng)而使光點(diǎn)在影屏上移動(dòng)來(lái)測(cè)定試樣的射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)光學(xué)放大系統(tǒng)而使光點(diǎn)在影屏上移動(dòng)來(lái)測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量。伸長(zhǎng)量。 電磁感應(yīng)熱機(jī)械法是將頂桿的移動(dòng)通過(guò)天平傳遞到差動(dòng)變壓電磁感應(yīng)熱機(jī)械法是將頂桿的移動(dòng)通過(guò)天平傳遞到差動(dòng)變壓器，變換成電訊號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量出試樣的伸長(zhǎng)量。器，變換成電訊號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量出試樣的伸長(zhǎng)量。 根據(jù)試樣的伸長(zhǎng)量就可計(jì)算出線(xiàn)膨脹系數(shù)。根據(jù)試樣的伸長(zhǎng)量就可計(jì)算出線(xiàn)膨脹系數(shù)。L / L0 = al t 試樣規(guī)格為直徑試樣規(guī)格為直徑3-8mm，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度10-20mm的圓

13、棒。的圓棒。 立式膨脹儀是將試樣立式膨脹儀是將試樣安放在一端封閉的石英管安放在一端封閉的石英管底部，使其保持良好的接底部，使其保持良好的接觸，試樣的另一端通過(guò)一觸，試樣的另一端通過(guò)一個(gè)石英頂桿將膨脹引起的個(gè)石英頂桿將膨脹引起的位移傳遞到千分表上，即位移傳遞到千分表上，即可讀出不同溫度下的膨脹可讀出不同溫度下的膨脹量。量。 自制立式膨脹儀自制立式膨脹儀自制立式膨脹儀智能型）自制立式膨脹儀智能型）臥式膨脹儀臥式膨脹儀 圖43-3 示差法測(cè)定材料膨脹系數(shù)的裝置 測(cè)溫?zé)犭娕?；膨脹儀電爐；電熱絲；電流表；調(diào)壓器；電爐鐵殼；銅柱電爐芯；待測(cè)試棒；石英玻璃棒；石英玻璃管；遮熱板；鐵制支承架；千分表； 水瓶；

14、水銀溫度計(jì)； 電位差計(jì)。四示差法的測(cè)定原理石英膨脹儀）四示差法的測(cè)定原理石英膨脹儀）圖43-1 石英膨脹儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱膨脹分析圖示差法的測(cè)定原理示差法的測(cè)定原理 由于玻璃的膨脹系數(shù)一般是由于玻璃的膨脹系數(shù)一般是石英的膨脹系數(shù)一般是石英的膨脹系數(shù)一般是 兩者的膨脹差可以測(cè)定。兩者的膨脹差可以測(cè)定。 由于由于 玻璃玻璃石英石英所以所以 L1 L2 千分表的指示為千分表的指示為 L = L1 L2 玻璃的凈伸長(zhǎng)玻璃的凈伸長(zhǎng) L1 = L L2按定義，玻璃的膨脹系數(shù)按定義，玻璃的膨脹系數(shù)注：只要材料的膨脹系數(shù)小于石英的膨脹系數(shù)的處理，如： 金屬、 無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)材料，都可用這種膨脹儀測(cè)定。 玻璃的線(xiàn)膨

15、脹系數(shù)與溫度有關(guān)。石英玻璃的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)按下列溫度范圍取值）； 5.710-7度-1 （） 5.910-7度-1 （） 5.810-7度-1 () 5.9710-7度-1 （） 因此，材料的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)應(yīng)標(biāo)明溫度范圍，如: ( 0300 ) = 5.710-7 / k ( 01000 ) = 5.810-7 / k 五實(shí)驗(yàn)過(guò)程五實(shí)驗(yàn)過(guò)程試試 樣樣 加加 工工 試樣試樣切割切割 試樣試樣研磨研磨實(shí)驗(yàn)過(guò)程關(guān)鍵操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程關(guān)鍵操作試試 樣樣 安安 裝裝1. 試樣加工與安裝試樣加工與安裝2. 玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響 淬火：玻璃成形后快速冷卻淬火：玻璃成

16、形后快速冷卻 精密退火：玻璃成形后緩慢冷卻精密退火：玻璃成形后緩慢冷卻2. 加熱速度對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響加熱速度對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響 在測(cè)定玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)時(shí)的升溫速在測(cè)定玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)時(shí)的升溫速度。度。六主要影響因素討論六主要影響因素討論 玻璃的熱歷史對(duì)其膨脹系數(shù)有重要的影響。 退火玻璃曲線(xiàn)發(fā)生曲折是由于溫度超過(guò)Tg以后，伴隨玻璃轉(zhuǎn)變發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，膨脹更加劇烈。 至于急冷玻璃，是由于試樣存在熱應(yīng)變，在某溫度以上開(kāi)始出現(xiàn)弛豫的結(jié)果。玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響加熱速度是個(gè)極重要的因素。玻加熱速度是個(gè)極重要的因素。玻璃快速加熱時(shí)，性質(zhì)來(lái)不及反映璃快速加熱

17、時(shí)，性質(zhì)來(lái)不及反映該溫度的最終值。該溫度的最終值。柯?tīng)柤{柯?tīng)柤{O.Koeyner和沙爾芒和沙爾芒H.Salmang在研究硅酸鹽的在研究硅酸鹽的玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有以玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有以 5 /分鐘分鐘的加熱速度，加熱試樣時(shí)，才能的加熱速度，加熱試樣時(shí)，才能清楚地看到清楚地看到Tg 。同樣試樣，如果以同樣試樣，如果以 8 /分鐘的分鐘的加熱速度，加熱試樣時(shí)，加熱速度，加熱試樣時(shí)， Tg根根本不顯現(xiàn)。在這種情況下，玻璃本不顯現(xiàn)。在這種情況下，玻璃在略低于在略低于Tg 溫度下就開(kāi)始軟化，溫度下就開(kāi)始軟化，在膨脹曲線(xiàn)上沒(méi)有突變。在膨脹曲線(xiàn)上沒(méi)有突變。. 加熱速度加熱速度5/分鐘分鐘. 加熱速度加熱速度8/分鐘分鐘. 加熱速度？加熱速度？/分鐘分鐘加熱速度對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響加熱速度對(duì)玻璃線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響 加熱速度減慢，加熱速度減慢， T