干涉法測量金屬的熱膨脹系數(shù)-講義

1、 干涉法測量金屬的線膨脹系數(shù)固體的線膨脹是指固體受熱時在某一方向上的伸長。這種特性是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械和儀表制造、材料加工中要考慮的重要因素。在相同條件下，不同材料的固體線膨脹的程度不同。各種材料膨脹特性用線膨脹系數(shù)（簡稱線脹系數(shù)）來描述。線脹系數(shù)是選用材料的一項重要指標(biāo)，實際中經(jīng)常要對材料線脹系數(shù)做測定。對于金屬材料，溫度變化引起長度的微小變化比較微小一般采用光杠桿、光的衍射法等進(jìn)行精確測量。本實驗中利用干涉法測量金屬棒的熱膨脹系數(shù)。一、實驗?zāi)康?觀察物體線膨脹現(xiàn)象，學(xué)會測量金屬的線脹系數(shù).2掌握應(yīng)用邁氏干涉儀測量物體長度微小變化的方法.二、實驗儀器SGR1型熱膨脹實驗裝置、游標(biāo)卡尺、銅棒、

2、鋁棒.三、工作原理在不太大的溫度變化范圍內(nèi)，原長為10的物體，受熱后其伸長量M與其原長10、溫度的增加量At近似成正比，即Al=al-At（1）0式中的比例系數(shù)即稱為線脹系數(shù)，它表示當(dāng)溫度升高1C時固體的相對伸長量。由上式可得l-At不同材料的線脹系數(shù)不同，塑料的線脹系數(shù)最大，金屬次之，石英玻璃線脹系數(shù)很小。線脹系數(shù)是選用材料的一項重要指標(biāo)。附表中列出幾種物質(zhì)的線脹系數(shù)值，對應(yīng)有一個溫度范圍。表1幾種材料的線脹系數(shù)材料銅鋁鉑普通玻璃石英玻璃瓷器a/xl06（）C）-i17.123.89.19.50.53.44.1溫度范圍（C）01002020020700實驗指出，同一材料在不同的溫度區(qū)段，其線

3、脹系數(shù)是不同的，但在溫度變化不大的范圍內(nèi)，線膨脹系數(shù)近似是一個常量。線膨脹系數(shù)的測定是人們了解材料特性的一種重要手段。在本實驗中我們用SGR-1型熱膨脹實驗裝置測量金屬棒在20C50C范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)，其工作原理是基于光干涉法來進(jìn)行微小長度量的測量，其光路圖見圖1所示。從He-Ne激光器出射的激光束經(jīng)過分束器（半反鏡）后分成兩束，分別由兩個反射鏡：定鏡和動鏡反射回來，由于分束器的作用兩束反射光在觀察屏上會相遇并形成明暗相間的同心環(huán)狀干涉條紋。長度為10的待測固體試件被電熱爐加熱，當(dāng)溫度從t0上升至t時，試件因受熱膨脹，從10伸長到1，同時推動邁克耳孫干涉儀的動鏡，使干涉條紋發(fā)生N個環(huán)的變化，

4、則1-10=M=N（3）02而線膨脹系數(shù)4）Ala二l(t-1)00所以只要測出某一溫度范圍的固體試件的伸長量和加熱前的長度，就可以測出該固體材料的線膨脹系數(shù)。四、實驗步驟安放試件（1）用M4螺釘雖n旋入試件一端的螺紋孔內(nèi)，從試件架上提拉出來，橫放在實驗臺上，再用卡尺測量并記錄試件初始長度10。（2）將電熱爐從儀器側(cè)面的臺板上平移取下，手提M4螺釘把試件送進(jìn)電熱爐（注意：試件的測溫孔與爐側(cè)面的圓孔一定要對準(zhǔn)）。（3）卸下M4螺絲，用平面鏡背面石英管一端的螺紋件將平面鏡與試件聯(lián)接起來注意：用手稍微擰緊平面鏡后不可再用力，否則容易損壞平面鏡同螺紋之間的石英細(xì)管）。在爐體復(fù)位（從臺板開口向里推到頭）

5、后，務(wù)必將測溫探頭穿過爐壁插入試件下半截的測溫孔內(nèi)，測溫器手柄，應(yīng)緊靠電熱爐的外殼（圖2）。爐體下部與側(cè)臺板之間，用兩個手鈕鎖緊。圖2電熱爐內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)節(jié)邁克耳孫干涉光路打開裝置總電源，按“激光”開關(guān)，撥開擴(kuò)束器，調(diào)節(jié)M和M2兩個平面鏡背后的螺絲，使觀察屏上的兩組光點中的兩個最強(qiáng)重合，然后把擴(kuò)束器轉(zhuǎn)到光路中，屏上即出現(xiàn)干涉條紋，這時微調(diào)平面鏡的方位，可將橢圓干涉環(huán)的環(huán)心調(diào)到視場的適中位置。對擴(kuò)束器作二維調(diào)節(jié)，可糾正觀察屏上光照的不均勻。3.測量（1）測量鋁棒的線膨脹系數(shù)測量前，先將溫控儀選擇開關(guān)置于“設(shè)定”，轉(zhuǎn)動設(shè)定旋鈕，直到顯示出預(yù)定溫度值。設(shè)定溫度后，將選擇開關(guān)置于“測量”。按“加熱”鍵

6、，觀察干涉圓環(huán)的變化，當(dāng)溫度顯示超過室溫5C后，記錄試件初始溫度t0,同時開始仔細(xì)默數(shù)干涉環(huán)的變化個數(shù)。待達(dá)到預(yù)定數(shù)50環(huán)時，記錄此時的溫度顯示值t。測試完畢后，直接按，暫?！辨I，停止加熱。可根據(jù)公式（3）和（4）計算鋁棒的線脹系數(shù)。（2）測繪銅棒線膨脹與溫度變化關(guān)系曲線更換試件。松開加熱爐下部的手鈕，使?fàn)t體平移，離開側(cè)臺板。旋下動鏡拔下測溫頭，再換上螺絲提手從爐內(nèi)取出試件。待爐內(nèi)溫度降到最接近室溫的穩(wěn)定值，按步驟1要求安放待測試件，安妥后通常需要重新調(diào)節(jié)光路。按“加熱”鍵，觀察干涉圓環(huán)的變化，當(dāng)溫度顯示超過室溫3C后，記錄試件初始溫度t0，同時開始仔細(xì)默數(shù)干涉環(huán)的變化個數(shù)。每計數(shù)20個干涉環(huán)

7、時，記錄此時的對應(yīng)的溫度顯示值t,共5組100環(huán)。實驗完畢，切斷加熱爐電源。以橫軸標(biāo)出銅棒溫度變化At二t-10，以縱軸標(biāo)出線膨脹伸長量Al，描點作圖。由圖解法求出鋁的線脹系數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理測量鋁棒的線脹系數(shù)初始長度l0鋁=九=632.8nm口表1試件品種溫度/C干涉環(huán)變化數(shù)N試件伸長量,九Al=Nx2線膨脹系數(shù)a（X10-6/C）t0t硬鋁502.測量銅棒線膨脹與溫度變化關(guān)系曲線初始長度l0銅=九=632.8nm表2干涉環(huán)變化數(shù)N020406080100溫度t/CAt/CAl/mm斜率K=線漲系數(shù)a=六、注意事項（1）在平面鏡與銅螺絲之間粘接的石英細(xì)管質(zhì)脆易損，不能承受較大的扭力和拉力

8、；爐底上的石英墊不能承受試件落體的沖擊；試樣入爐與出爐必須用M4長螺釘做輔助工具。（2）實驗前不要按“加熱”開關(guān)，以免為恢復(fù)加熱前溫度而延誤實驗時間，或因短時間內(nèi)溫度忽升忽降而影響實驗測量的準(zhǔn)確度。實驗中，每次加熱前都需要靜置一段時間觀察溫度顯示，耐心等待試件入爐后的熱平衡狀態(tài)。（3）為了避免體溫傳熱對爐內(nèi)外熱平衡擾動的影響，不要用手抓握待測試件。（4）本儀器宜在低照度實驗室使用，室內(nèi)應(yīng)避免強(qiáng)烈的空氣流動。地面和臺面不可有較強(qiáng)的震動。實驗室應(yīng)保持安靜。（5）注意保護(hù)眼睛,不要正面直接注視激光光束。附錄SGR-1型熱膨脹實驗裝置1.儀器外形見圖3。220V電薛拯妥值臺ainot電訪圖3主要技術(shù)指標(biāo)He-Ne激光器：功率約1mW,波長632.8nm分束器光圈數(shù)：N=2平面鏡光圈數(shù)：N=2數(shù)字測溫最小分度：0.1C試件品種：硬鋁（20C起測）黃銅a=20.6xl0-6C（25300C）鋼（20C起測）試件尺寸：l=150mm,q=18mm適宜升溫范圍：室溫60C溫控儀工作環(huán)境：溫度050C，濕度85%以下無腐蝕性氣體線膨脹裝置系統(tǒng)誤差：V3%耗電功率：約50W重量（含附件）：17.25kg數(shù)顯溫控儀數(shù)顯溫控儀的測溫探頭通過銅熱電阻，取得代表