實(shí)驗(yàn)講義十五 材料線膨脹系數(shù)的測(cè)定-示差法

PAGEPAGE6實(shí)驗(yàn)十五材料線膨脹系數(shù)的測(cè)定——示差法概述物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。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(huì)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(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。目前，測(cè)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(guó)內(nèi)外示weissHTVUBDRPZ―1些外，雙線法在生產(chǎn)中也是—種快速測(cè)量法。本實(shí)驗(yàn)采用示差法。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鉁y(cè)定材料的膨脹曲線對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義；掌握示差法測(cè)定熱膨脹系數(shù)的原理和方法，以及測(cè)試要點(diǎn)；二、實(shí)驗(yàn)原理一般的普通材料，通常所說(shuō)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(zhǎng)度上所增加的長(zhǎng)度，單位為厘米╱厘米·度。假設(shè)物體原來(lái)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，溫度升高后長(zhǎng)度的增加量為L(zhǎng)，它們之間存在如下關(guān)系：0L╱L＝t （1）0 1式中，

稱為線膨脹系數(shù)，也就是溫度每升高1℃時(shí)，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。1TTVVTT1 2 1 2 1 2內(nèi)，溫度每上升一個(gè)單位，單位體積物體的平均增長(zhǎng)量為(V－V）╱V（T－T） (2)1 2 1 1 2式中，為平均體膨脹系數(shù)。從測(cè)試技術(shù)來(lái)說(shuō)，測(cè)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)：＝（L－L）╱L（T－T） (3)1 2 1 1 2式中：―試樣的平均線膨脹系數(shù)；L―在溫度為T時(shí)試樣的長(zhǎng)度；1 1L―在溫度為T時(shí)試樣的長(zhǎng)度；2 2與的關(guān)系是T2T23T3 (4)在實(shí)際中忽略高階無(wú)窮小，而取一級(jí)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圍。如：(0～300)=5.7×10-7/k材料名稱

0～1000℃

表1 一些材料的膨脹系線膨脹系數(shù)（10-6╱K）材料名稱0～1000℃

材料名稱

線膨脹系數(shù)（10-6╱K）0～1000℃AlO32BeOMgO莫來(lái)石尖晶石氧化鋯

8.89.013.55.37.64.2

ZrO2TiCBC4SiC石英玻璃

107.44.54.70.59.0

硼硅玻璃剛玉瓷硬質(zhì)瓷滑石瓷

35.55～5.567～910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(cè)試樣與石英玻璃棒都會(huì)發(fā)生膨脹，但是待測(cè)試樣的膨脹比石英玻璃管上同樣長(zhǎng)度部分的膨脹要大。因而使得與待測(cè)試樣相接觸的石英玻璃棒發(fā)生移動(dòng)，這個(gè)移動(dòng)是石英玻璃管、石英玻璃棒和待測(cè)試樣三者的同L熱膨脹之差值，測(cè)定出這個(gè)系統(tǒng)的伸長(zhǎng)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(cè)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1是石英膨脹儀的工作原理分析圖，從圖中可見(jiàn)，膨脹儀上千分表上的讀數(shù)為：L=L-L1 2由此得到試樣的凈伸長(zhǎng)：L=L+L1 2根據(jù)定義，待測(cè)試樣的線膨脹系數(shù)（L+L）╱Lt ＝(L╱Lt)+(L／Lt)2 2其中 L／Lt＝2 石所以＝ +(L╱Lt)石若溫度差為t－t，則待測(cè)試樣的平均線膨脹系數(shù)可按下式計(jì)算：2 1式中：

＝ +L╱L(t-t)石 2 1―石英玻璃的平均線膨脹系數(shù)(按下列溫度范圍取值)；石5.710-7度-1 （0～300℃）5.910-7度-1 （0～400℃）5.810-7度-1 （0～1000℃）5.9710-7度-1 （200～700℃）t―開始測(cè)定時(shí)的溫度；1t―一般定為300℃(若需要，也可定為其它溫度)；2L―t2t1L―試樣的原始長(zhǎng)度，毫米。圖2玻璃材料的膨脹曲線圖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(duì)于玻璃材料還可以得出其特征溫度Tg

與T。f三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試樣石英膨脹儀1-測(cè)溫?zé)犭娕?-膨脹儀電爐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(cè)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(cè)定材料膨脹系數(shù)的裝置小砂輪片、秒表、卡尺；待測(cè)試樣（玻璃、陶瓷等)：必須選取無(wú)缺陷材料(對(duì)于玻璃，應(yīng)當(dāng)無(wú)砂子、條紋、氣泡等)；5～660±0.1；UBD350±0.1Welss立式膨脹儀要求試樣直徑為12毫米、長(zhǎng)為65±0.1毫米。四、實(shí)驗(yàn)步驟接好路線并檢查。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℃/min2一次千分表的讀數(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(cè)數(shù)據(jù)記入下表。表2測(cè)試結(jié)果記錄試樣編號(hào)： 試樣原始長(zhǎng)度（m：試樣溫度t（℃） 千分表讀數(shù) 試樣伸長(zhǎng)值L（mm）五、數(shù)據(jù)處理根據(jù)原始數(shù)據(jù)，在直角毫米坐標(biāo)紙中繪出待測(cè)材料的線膨脹曲線。確定tt1 2據(jù)t、t確定L、L。1 2 1 2按公式＝ +L╱L(t-t)計(jì)算被測(cè)材料的平均膨脹系數(shù)。石 2 1Tg

和T。f六、注意事項(xiàng)2～32