材料热膨胀系数的测量

实验二材料热膨胀系数的测量

一、实验目的

1.了解测定热膨胀系曲线对生产的指导意义。

2.掌握热膨胀系数的测试原理及测定方法。

3.利用材料的热膨胀曲线，确定材料（陶瓷或玻璃）的特征温度。

二、实验原理

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。

在实际应用中，当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，选择材料的热膨胀系数显得尤为重要，如玻璃仪器、陶瓷制品的焊接加工，都要求二种材料具备相近的膨胀系数。在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料（玻璃、陶瓷）与各种金属焊接，也要求两者有相适应的热膨胀系数；如果选择材料的膨胀系数相差比较大，焊接时由于膨胀的速度不同，在焊接处产生应力，降低了材料的机械强度和气密性，严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。如果层状物由两种材料迭置连接而成，则温度变化时，由于两种材料膨胀值不同，若仍连接在一起，体系中要采用一中间膨胀值，从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的意义。

1.热膨胀系数

对于一般的普通材料，通常所说的膨胀系数是指线膨胀系数，其意义是温度升高1℃是单位长度上所增加的长度，单位为cm/（cm·℃）。

假设物体原来的长度为L0，温度升高后长度的增加量为⊿L，则：

式中——线膨胀系数，也就是温度每升高1℃，物体的相对伸长。

当物体的温度从上升到时，其体积也从变化到，则该物体在~

的温度范围内，温度每上升一个单位，单位体积物体的平均增长量为：

式中——平均体膨胀系数。

从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因此，常采用线膨胀系数：

式中——玻璃的平均线膨胀系数；

——在温度为时试样的长度；

?——在温度为时试样的长度。

与的关系是：

上式中的第二项和第三项非常小，在实际中一般略去不计，而取。

膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数都是具有在一定温度范围内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温度范围。见附件1

2.热膨胀系数测试方法

1）千分表法：用千分表直接测量试样的伸长量。

2）光学机械法：通过顶杆的伸长量来推动光学系统内的反射镜转动，经过光学放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的伸长量。再计算线膨胀系数3）电磁感应热机械法：将顶杆的移动通过天平传递到差动变压器，变换成电信号，经放大转换，从而测量出试样的伸长量。再计算线膨胀系数4）示差法：又称石英膨胀计法。采用热稳定性良好的材料石英玻璃（棒和管）在较高温度下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻璃与其中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样的膨胀比石英玻璃管上同样长度部分的膨胀要大。因而使得与待测试样相接触的石英玻璃棒发生移动，这个移动是石英玻璃管、石英玻璃棒和待测试样三者的同时伸长和部分抵消后在千分表上所显示的ΔL值，它包括试样与石英玻璃管和石英玻璃棒的热膨胀之差值，测定出这个系统的伸长之差值及加热前后温度的差数，并根据已知石英玻璃的膨胀系数，便可算出

本实验中采用电感位移计精确测量试样的膨胀量，计算机通过自动系统补偿计算热膨胀系数。

3.实验原理

当电炉升温后炉膛内的试样发生膨胀，顶在试样端部的测试杆产生与之等量的膨胀量（如果不计系统的热变形量），这一膨胀量由电感位移计精确测量出来，并由仪表显示并送计算机处理，计算机数据处理后显示δ和α值是通过自动系统补偿计算结果，也可通过智能仪表显示的位移绝对值，人工记录，并按原理公式计算。

（1）加载传感装置中的测试杆，一端顶着试样一端连着位移传感器的铁芯。试样的另一端顶在固定的试样管壁上。因而试样在此端的自由度被限制了，所以试样的膨胀将引起位移传感器的铁芯相应的位移。

（2）1000℃以下炉膛采用特种电阻丝发热。1600℃炉膛采用钼丝发热，实验过程中用氩气保护发热元件不过快氧化，为保证炉管密封材料不致烧损，水冷端盖中通有冷却水。炉膛的前、后转动均为可调节。

（3）试样装在试样管中固定不动，炉膛装在小车上，小车可在基座导轨上

移动,移动炉膛进行试验，这样避免了试样受到振动。

（4）系统的补偿：定期用标样，实验过程中需输入标样的α值进行处理数据。

三、实验仪器及试样制备

1.实验设备：PCY-Ⅲ型材料热膨胀系数测

试仪。规格：最高炉温：1600℃；膨胀值测

量范围与误差：0--5mm±0.1%

2.试样制备：

1）试样尺寸：

圆柱体Ф（6～8）×50（mm）

方形体（6～8）×（6×8）×50mm

PCY-Ⅲ型材料热膨胀系数测试仪2）制样制备：

①型壳材料试样：用专用模具压制蜡模，按型壳工艺涂挂试样，脱蜡后在350～400℃烧烤保温一小时，去除残余模料，随炉冷却。试样如果需要进行焙烧，可免去烘烤。

②陶芯材料试样：用专用模具压制陶芯，按陶芯制工艺烧制试样（300℃保温2小时，500℃保温1小时，900℃保温1小时，最后升温至1150℃保温2小时，然后随炉冷却。）

③可根据自己的工艺要求制作试样。

四、实验步骤

1、将设备基座安放水平，调整炉膛的位置，使炉膛与试样管相对运动自如，

防止相互擦、碰。调整、移动炉膛时要缓慢，以防损坏炉膛和试样。将炉膛固定在小车上，再调整定位脚在导轨上的位置，使小车靠住定位脚，固紧定位脚。这样能保证测试时试样处于炉膛均温区之中。

2、当测试杆和试样接触后位移显示可能不指示零位，可以通过调节调零旋

钮，使位移显示“2000”位。计算机可以自动记录零点位移，作为起始位移，参

与运算。

3、检查各部分的连线，以及智能仪表设置是否正常、实验的基本要求、各

参数测试要求、测试工艺要求等。确认各仪表各性能正常，将冷却水通入导支套

及水冷端盖。炉温在700℃以前，通入导支套及端盖的冷却水流量要小些，使导

支套出水温度在室温附近即可。

注意：连接电炉的电线端子一定要接触良好，并将仪表的地线接入实验场所地线（或水管），减少系统之感应电以保护计算机可靠工作及数据的正常传送。开始试验时即通氩气保护。

4、打开电源，检查智能表518P基本参数的设置，连接计算机使计算机系统

处于程序运行用户界面，按操作步骤进行。实验开始，出现曲线运行界面。然后按“启动”使系统进入测试状态。此时计算机显示时间为实验时间（可人工记录时间），根据实验要求可以设置恒温区段，完成实验后进行试样结果分析，可对测试数据自动分析，亦可人工分析，并输出实验结果报告。

5、通过计算机可以对测试的数据建立用户需要的数据库，并对数据库进行相关的操作。

五、数据处理

1.膨胀系数计算方法：

试样升温达到测试温度后，根据显示结果可以实现人工计算机和计算机自动处理。计算机测试的结果为整个过程温度点的试样膨胀系数，根据输出结果，选择所需要的点。

线膨胀百分率计算公式：

平均线膨胀系数计算公式：

两公式中：

L——试样室温时的长度（um）；

K T——测试系统T时补偿值um；

△L T——试样加热至T℃时测得的线变量即记录值（um）；

T——试样加热温度℃；

T0——试样加热前的室温℃

计算机和仪表显示的位移单位均为um。

仪器的补偿值K T需要预先测定和计算，可以通过计算机系统专用程序测试完成。求补偿值K T方法是：1000℃以下用石英标样；1000℃以上用高纯刚玉标样作试样，进行升温测试，记录出标样测试曲线，曲线中包括了标样、试样管及测试杆的综合膨胀值。而补偿值K T应只是试样管及测试杆在相应温度下的综合膨胀值，所以应将标样在相应温度下的膨胀值，从测试数据中相应温度下的膨胀量中扣除后剩下的膨胀量即为仪器在相应温度下的补偿K T。而标样的膨胀系数为已知的，计算机系统建立相应的数据库，不同的标样，应填充该数据库。

K T=△L T标－α标×L标×（T－T0）

石英标样的膨胀系数取样平均值0.55×10-6/℃

例：若用该仪器测试1400℃时的补偿值K1400，用刚玉标样升温、升温前标样L标=50.1mm，室温T0=20℃升温至1400℃时,记录△LI1400标=0.11mm已知1400℃时刚玉的平均线膨胀系数标=8.623×10-6/℃

K1400=△L1400标－α标×L标（1400－20）

=0.11－8.623×10-6×50.1×1380

=0.1－0.596=-0.486（mm）

六、调整与校正

①零点：膨胀值采用智能数字式仪表进行显示，应将518P显示仪表按其说明调整好的所需参数和量程。开启仪表电源，并接好各线，所显示不在“0”位，可通过调零旋钮使其回到零点。

②量程校正：将50mm两端磨平的圆棒放入试样区，测试杆顶紧圆棒，调节调零旋钮使膨胀值指示仪表至2000左右。

七、注意事项

1、仪器应安装在稳定的基础上，周围无震动源，机械主机的工作台高度应低于800mm。

2、仪器使用过程中，须用氩气瓶、冷却水，因而要考虑装置的摆放和连接。（试验1000℃以上）

3、测温在1000℃以下的仪器及专用仪器不需要氩气保护

4、试验完毕后，应及时清洁仪器。

附件1

高纯刚玉标样线膨胀系数（供参考，氧化铝含量99.99%）

温度（℃）线膨胀系数（1/℃）温度（℃）线膨胀系数（1

/℃）

室温209.12×10-6900 6.546×10-6 1009.18×10-61000 6.508×10-6 2007.28×10-611007.28×10-6 3007.92×10-612007.352×10-6 4007.88×10-613007.537×10-6 5007.042×10-614007.607×10-6 600 6.742×10-615007.828×10-6 700 6.72×10-616008.253×10-6 800 6.64×10-617008.325×10-6