热双金属资料
碟片元件用热双金属材料国产化的研究
碟片元件用热双金属材料国产化的研究作者：孙华民来源：《中国科技纵横》2020年第02期摘要：热双金属是一种应用非常广泛的复合材料，热双金属碟片主要用于温度控制和过载保护等场合，长期以来，高精度的碟片用双金属材料主要依靠进口，为了供应链安全和降低成本，本文对国产热双金属材料进行了研究，通过一致性试验和寿命试验，发现国产热双金属的质量达到或超过了进口同类产品。
关键词：热双金属;碟片;研究中图分类号：TM503 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0066-020 引言热双金属是由二层或二层以上具有不同热膨胀系数的金属或合金所组成的一种复合材料，当温度变化时，其曲率半径发生相应的变化，自动地将热能转变成机械能。
由于其结构简单、动作可靠、价格低廉，因此广泛应用于与各种温度有关的控制器、保护器、以及温度指示和温度补偿等装置中，由于贸易摩擦及保证供应链安全，有必要对双金属材料国产化，但热双金属材料是关键材料，国产化之前必须进行相关试验。
1 热双金属的工作原理及分类1.1热双金属的结构及工作原理热双金属一般由二层或二层以上的组元层构成。
组元层材料可以分为主动层、被动层和中间层。
其中线膨胀系数较大的组元层称为主动层，线膨胀系数较小的组元层称为被动层。
中间层又称为分流层，它位于主动层与被动层之间，用来调节热双金属材料的电阻率。
主动层材料一般为Ni22Cr3Fe等合金，被动层一般为FeNi36等合金。
如果把它们复合在一起，当温度升高时，由于它们的膨胀系数不同，主动层在热应力作用下被压缩，被动层被拉伸，热应力产生的弯矩，使热双金属片弯曲。
1.2分类热双金属一般按照它的使用特性，适用范围及使用条件可大致分为以下几类：（1）通用型：这类热双金属有较大的比弯曲值和机械强度，适用于一般性用途，如SUMSION140-80，SUMSION155-78等。
（2）高温型：这类热双金属线性温度范围宽，高温强度大，抗氧化性良好，可使用在400℃以上的温度，如SUMSIONl00-70，SUMSION57-78。
热双金属术语
郑 冀等： 纳米掺杂 Ｓ Ｏ 的计算研究 ｎ：
１ ３
禁带半导体 ， 通过掺 杂能够 在一定程 度上改 变成键性
质， 使其具有金属键 性质 ， 高 了 Ｓ Ｏ： 提 ｎ 的导 电性 。 （） ３ ３种 Ｃ ｏ掺杂 比率 （ ．７ ５ 、 ．４ 都 ４ １ ％、 ％ ８ ３ ％）
４ ．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ１
参考 文献 ：
【 】 Ｓ ｇ ｌ Ｍ １ ｅ ａｌ Ｄ，Ｐｈｌ ．Ｌｉｄ ｎ Ｄ， ｅ １ ｉｐ Ｊ ｉ ｎ ａ ｔ ａ ．Ｆｉ ｔ ｒｎ ｉ ｌｓ ｒ － ｉ ｃｐｅ ｓｐ
【 】 张富春， ５ 邓周虎 ． 掺杂 Ｚ Ｏ 电子结构的密度泛函计算【 】 Ｇａ ｎ Ｊ．
能在 一定程 度上提 高 Ｓ Ｏ： ｎ 的导 电性 。 中， 其 掺杂 比
Ｓ ｍｕ ａｉｎ：Ｉ ｅ ｓ Ｉｌｓｒ ｔ ｎ ｎ ｈ ＡＳ Ｐ Ｃ ｄ 【 】 ｉ ｌｔ ｏ ｄ ａ ，ｌ ｔａ ｉ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ Ｃ ＴＥ ｏ ｅ Ｊ ． ｕ ｏ
Ｐｈ ｉ ｓ Ｃｏ ｅ ｅ Ｍ ａ ｔ ｒ ２ ０ １ ２ ７— ２ ４ ． ｙｓｃ ： ｎｄ ｎｓ ｄ ｔ ｅ ， ０ ２， ４： ７１ ７ ４
Ｓｎ ２ Ｔｒ ｎ ａ ｅ ｔ Ｃｏ ｄ ｔｎｇ Ｏｘ ｄ ｆ ｏ Ｏ ａ ｐ ｒｎ ｎ ｕｃ ｉ ｉ ｅ ｒ ｍ ｔ Ｓ ｌ ｌ ｈｅ ｏ ｇｅ
Ｄｉ—ｏ ｔ ｇ Ｔｅ ｈ ｉｕ ［ 】 Ｔｈｎ Ｓ ｌ ｉ ， ９ ５ ２ ３ ３ ｐｃ ａｉ ｃ ｎｑ ｅ Ｊ ． ｉ ｏｉ Ｆ ｌ １ ９ ， ６ ： ７— ｎ ｄ ｍｓ
【 ］ 范志新 ， ２ 陈玖琳 ， 以材 ．二氧化 锡薄 膜的最佳掺杂含量理论 孙
表 达 式 【 】 电 子 器 件 ， ０ １２ （ ）１ ２ ３ ． Ｊ． ２ ０ ， ４ ２ ：３ —１ ５
热双金属片工作原理
热双金属片工作原理
热双金属片是一种热敏元件，由两种不同膨胀系数的金属层叠压合而成。
当双金属片受到热量作用时，两种金属由于膨胀系数不同而产生不同程度的膨胀，从而引起双金属片弯曲或变形。
热双金属片的工作原理是基于热膨胀差异引起的形变效应。
当温度变化时，膨胀系数较大的金属层会膨胀更快，使得双金属片整体产生弯曲或扭曲。
这种形变会导致双金属片上的导电件发生位移，从而改变电路中的电阻、电容或电感等特性。
通过测量双金属片的形变程度，可以推导出温度的变化。
一般情况下，双金属片与相关电路相连，利用电阻、电容或电感等元件的变化来感知温度变化，并传递给其他设备进行判断和控制。
热双金属片广泛应用于温度传感器、温度补偿器、热敏开关等领域。
其工作原理简单，结构小巧，适用于各种工作环境，并且具有较高的灵敏度和快速的反应速度。
断路器用热双金属的选择和计算
断路器用热双金属的选择和计算连理枝一 热双金属（片）的主要物理性能及测量1 热敏感性能用比弯曲（k ）来表示，它的物理意义是，表示单位厚度的热双金属（片）温度变化1℃时曲率变化的一半。
)11(21λλθθδ--=k （1）式中：δ为试样（双金属）的厚度；θ为加热后的双金属片的温度；θ为未加热时双金属片的温度；λ为双金属片变形后的曲率半径；λ为双金属片未变形的曲率半径，λ＝∞∴ λθθδ1210.-=k （2） 从右图可见，)f L ∆－＋（＝λλ222f f L ∆+∆λλλ2－＋＝22f L f ∆+∆＝λ∴f fL ∆∆+2＝λ （3）将（3）式代入（2）式得1L f f k +∆⨯-∆θθδ＝（4）还可证明δθθααλ))((231--＝ （5） （α、α为不同的两种金属的热膨胀系数）代入，得)(43αα-＝k （6）当f ∆≤10％L 时，上述可简化为1L f k ⨯-∆θθδ＝ （7）有些国家采用温曲率来表示热双金属的热敏感性。
它表示单位厚度的热双金属片温度变化1℃时曲率的变化。
即 F ＝2K ＝）－（23αα （8）式中 F 为温曲率电阻率 ρL RS ＝ρ （即S L R ρ＝） （9） 关于双金属片的弹性模量：它是计算热双金属元件的推力，转矩和内应力不可缺少的参数。
4δfb PL E ∆＝ （10）式中：P 为机械推力 kgfL 为双金属长度δ为双金属厚度b 为双金属宽度f ∆为产生的位移2 使用温度范围线性温度范围：在线性温度范围内，热双金属片的位移与温度基本上成线性关系，其范围大小取决于组合层材料（特别是被动层）的膨胀性能。
在线性温度范围，热双金属具有最大的热敏感性能 偏转角）－（）－（＝＝01223θθδααλφ （11） 当）－（αα保持为常数的温度范围，φ与）－（0θθ为线性关系。
这一范围称为热双金属的线性温度范围。
允许使用温度范围：热应力（单纯由加热产生的应力）达到热双金属弹性极限时的温度，即为允许使用温度的上限。
热双金属资料.
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热双金属的主动层合金
膨胀系数特性
主动层合 金的膨胀 系数随温 度变化关 系图
膨胀系数
33 31 29 27 25 23 21 19 17 15
93℃ 149℃ 260℃ 371℃
Mn72Cu18Ni10 Ni22Cr3 Ni20Mn6 Ni18Cr11 Ni19Cr2
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热双金属的被动层合金
热双金属的被动层合金一般都是膨胀系 数 很 低 的 镍 铁 合 金 。 在 1896 年 科 学 家 Guillaume发明了因瓦合金，在室温下，其 膨胀系数非常低，仅约1.2×10-6/℃，为热双 金属的开发打下了基础。
复合
三层复合
受热
受热
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热双金属的组元合金
▪高膨胀层（HES） 膨胀系数较高的一层组元合金
▪低膨胀层（LES） 膨胀系数较低的一层组元合金
▪中间层（MID) 夹在主动层和被动层之间材料
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热双金属的主动层合金
热双金属的主动层合金要求膨胀系数大， 熔点高，复合性好，弹性模量与被动层合金相 差不大。可作为主动层材料的合金很多，有铁 镍铬、铁锰镍、锰铜镍、纯镍、纯铁、黄铜、 青铜及不锈钢等。
常 用 的 被 动 层 合 金 一 般 包 括 Ni36Fe 、 Ni39Fe、Ni40Fe、Ni42Fe、Ni45Fe和Ni50Fe 等低膨胀合金或定膨胀合金。
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热双金属简介及其与记忆合金的比较
管理及其他M anagement and other热双金属简介及其与记忆合金的比较董天宇（成都市第七中学高新校区，四川 成都 610000）摘 要：本文目的在于介绍热双金属的原理、分类、特性、应用，并和记忆合金做简单比较。
关键词：热双金属；记忆合金；比较；原理中图分类号：TG139.6 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2018）06-0194-2生活当中，我们经常用到的一些电器都有热双金属的身影，它与我们的生活息息相关，比如电熨斗，空调，电水壶，电饭煲，家用安全插座等等。
并且在其他各种领域也有广泛应用比如航天工业的座舱温度计，安全领域的自动灭火器等等。
18世纪热双金属就已经被人们发明并应用，而最近几年来记忆金属才被发现并广泛应用[1]。
虽然两者都有在温度变化的情况下发生形状变化的效应，但由于两者原理及材料特性并不相同而有不同的应用[2]。
1热双金属1.1 热双金属的原理及结构1.1.1热双金属原理热双金属是由两种或两种以上不同热膨胀系数的金属组合而成，一般常见形状为条状或片状，因此常把它称之为热双金属片。
热双金属片由被动层和主动层组成，主动层材料要求是线膨胀系数较大，被动层材料要求是线膨胀系数较小。
在温度变化时，主动层的形变较大，而被动层形变较小，因此热双金属发生变形，最终热能转化成机械能，并达到热双金属机构动作的目的。
1.1.2主动层材料选取主动层材料的选取，要求不仅膨胀系数大并且需要有焊接性好，耐腐蚀性等，并且主被动层弹性模量相近。
主要分为有色金属及其合金和黑色金属及其合金两大类。
有色金属及其合金有黄铜蒙铜，铝青铜，铍青铜等，黑色金属及其合金有铁镍铬，铁镍钼，铁镍锰合金等[3-5]。
其中黑色金属应用更广泛。
1.1.3被动层材料选取被动层材料除了热膨胀系数小还需要耐腐蚀性良好，焊接性良好的特性。
主要采用铁镍合金，铁镍合金由镍的不同含量有许多不同的特殊性质，这里不做详细论述[6]。
1.2 热双金属的特性热双金属材料主要有热敏感性，弹性模量，电阻率，线性温度范围，允许使用温度范围，允许弯曲应力等特性，现就一部分特性作如下说明：热敏感性：热敏感性是衡量热双金属对温度敏感程度的一个重要指标，主要包括比曲率，温曲率，敏感系数三种表达方式。
低压断路器常用材料.
低压断路器常用材料主要包括以下材料：热双金属材料 热双金属是由两层不同膨胀系数的金属（或合金）组元彼此牢固结合而成的复合材料。
其中热膨胀系数较高的一层，称为主动层，热膨胀系数较低的一层，称为被动层。
有时为 了获得特殊性能，还可以复合第三层（中间层） 。
由主动层产生的张力和由被动层所产生的 拉力组成的合力矩使热双金属的弯曲受到限制时，将产生推力，热能转变为机械能。
热双金属材料可分为：高灵敏度型、通用型、低温型、高温型、特殊型和电阻系列等 类别。
热双金属材料的主要性能有：电阻率、比弯曲、弹性模量 E 、线性温度范围、允许使用温度范围和密度等。
比弯曲：单位厚度的平直热双金属试样每变化单位温度时纵向中心线的曲率变化之半。
单位名称为每摄氏度，单位符号为 目前最常用的双金属材料有： （5J16）、R5、R10、R15（R12）、 5J1480 （ 5J1 8 ）、5J1 455 （R50）、 属元件直接通电发热）断路器。
5J 表示双金属， 5J20110 中的 一些中等规格电流如 40 、50、63A 断路器等，它的旁热式或直热式大量使用 R25、R30、R50等。
它们使用 3Ni24Cr2 （镍鉻钢）为主动层， Ni36 为被动层，加上中间 层如锆铜Cu — Zr （多用于R15、R12 ）和镍层（用于 R30、R50 ）。
改变中间层的厚度，可 以调节电阻率的大小。
R 后面的数值越小，适用的电流等级越大，反之，适用的电流等级越小。
同时还表示 该材料20 C 时的电阻率（卩0・cm ）。
大电流等级的塑壳式断路器不再采用旁热式或直热式的双金属元件作为过载延时的保 护。
主要是如此大的热量会使断路器的温升大大超过标准要求，而能满足各项性能的小电 阻率的金属材料也很难找到。
就采用其他方式，如电流互感器型。
电阻合金材料电阻合金材料广泛应用于低压断路器，热过载继电器等低压电器产品中，用于调节和 控制电流。
这类材料的主要技术要求是电阻率、机械强度、耐腐蚀性能、耐热性能等。
热双金属试验方法编制说明
GB/T××××－××××《热双金属试验方法》编制说明（征求意见稿）1.任务来源根据钢标委秘字（2008）04号关于整合《热双金属温曲率试验方法》等三项国家标准的通知的要求，由宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司、冶金工业信息标准研究院共同负责整合修订GB/T8364－2003《热双金属比弯曲试验方法》、GB/T5987-1986《热双金属温曲率试验方法》和GB/T5985-2003《热双金属弯曲常数测量方法》三项国家标准，项目编号为：20060948-T-605,项目计划2008年4月30日前完成。
2.主要编制过程2.1 标准化对象简介《热双金属比弯曲试验方法》、《热双金属温曲率试验方法》、《热双金属弯曲常数测量方法》是三种对热双金属热敏性能测试的方法,但测试方式及计算等差异较大。
比弯曲试验方法是采用悬臂梁法，适用于厚度0.6mm～1.25mm，测量温度20℃～130℃，是目前使用最为广泛的方法；温曲率试验方法是采用双支点试验方法，适用于测量厚度大于等于0.3mm 直条形,厚度小于0.3mm采用平螺旋形状进行测试；弯曲常数测量方法适用于0.25mm～1.20mm，测量温度室温～100℃热双金属平直条状试样。
国内外标准调研情况热双金属比弯曲试验方法中主要技术内容等效采用DIN1715德国标准，热双金属温曲率试验方法等效采用美国标准ASTM B106-96(Reapproved 2002), 热双金属弯曲常数测量方法非等效采用日本JISC2530-1993标准，与GB/T5985-2003一致。
2.3 主要编制过程2008年2月21日接受任务，即日成立起草小组，着手开始调研工作。
征求各方意见，了解生产、使用和市场等情况，2008年3月20日完成征求意见稿。
3.编制原则本次修订参照GB/T5987－1986、GB/T5985-2003、GB/T8364-2003、ASTM B106-96(Reapproved 2002)和JISC2530-1993,根据实际情况，将原三个标准整合为一个系列标准，分成三大部分编写，主要内容与原版保持一致。
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热双金属的性能指标
简支梁法测量温曲率的测量示意图
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热双金属的性能指标
温曲率（F）计算公式：
8 D2 D1 F 2 2 2 2 T2 T1 L 4D2 4 D2 L 4D1 4D1
按电阻特性分：
电阻型
高灵敏721电阻系列
中灵敏223电阻系列 中灵敏206电阻系列
如：FPA721－5、 FPA721－8
如：FPA223－25、 FPA223－35 如： FPA206－11、 FPA206－9
非电阻型
如： FPA206－78、FPA223－80等
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热双金属的牌号
目前对热双金属的牌号并没有一个统一的 编号规则，各国和各生产厂家都有自己的牌号 编制方法。
美国ASTM B388：2006《热双金属带材》牌号
TM1、TM2、……、TM36
热双金属代号 Thermostat Metal 流水号
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热双金属的牌号
德国DIN 1715：83《热双金属》牌号示例：
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热双金属的性能指标
3.最高使用温度
热双金属发生再结晶的温度。在超过 该温度使用时，热双金属组元合金的晶粒 将发生再结晶转变，并开始软化，热双金 属将不能正常使用。
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热双金属的性能指标
4.热敏感性指标 热双金属的热敏感性能有三种表示方法：
温曲率
比弯曲
弯曲常数
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热双金属的性能指标
温曲率（F，Flexivity or Specific Curvature） 温曲率（ F ）是单位厚度的热双金属片， 每变化单位温度时其纵向中心线的曲率变化。 当热双金属片的厚度大于等于0.3mm时， 温曲率的测量方法采用简支梁法 。 小于0.3mm时采用平螺旋法测量。 温曲率是热双金属的一个关键指标。
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热双金属的分类
按使用温度特性分：
高温型
如FPA223-70、FPA206-70、FPA258-70、 FPA206-9等 中温型
如FPA721-110、FPA223-80、FPA206-78等
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热双金属的分类
按热敏感特性分：
高敏感型
(温曲率在30×10－6/℃以上）
如： FPA721系列 中敏感型 低敏感型 (温曲率在15~30×10－6/℃范围）
如： FPA206系列、FPA223系列等 (温曲率在15×10－6/℃以下）
如： FPA982-2、FPA258－60等
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热双金属的分类
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热双金属的性能指标
温曲率和比弯曲的差异 由于比弯曲在测量时一端固定，其测量过 程受其固定端的夹持力和夹持方式影响，测 量数据的重复性和复现性不是很好，而温曲 率采用几乎无约束的测量方式，其测量的重 复性和复现性（GR&R)都比较好。
目前大部分国家的标准和行业标准及公司 标准都采用温曲率指标作为热双金属的热敏 感性考核指标，以比弯曲作为参考指标。
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热双金属的性能指标
5.电阻率
电阻率是热双金属的一个重要指标，当热 双金属不直接通电加热时，电阻率的影响较小。 但是当热双金属直接通电加热时，电阻率是一 个非常重要的指标，发热量与电阻率成正比， 这将直接影响热双金属的动作特性，也影响到 可通电流的大小。 电阻率是选择电流等级的一个重要指标。
膨胀系数
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热双金属的被动层合金
热双金属的被动层合金一般都是膨胀系 数 很 低 的 镍 铁 合 金 。 在 1896 年 科 学 家 Guillaume 发明了因瓦合金，在室温下，其 膨胀系数非常低，仅约1.2×10-6/℃，为热双 金属的开发打下了基础。 常 用 的 被 动 层 合 金 一 般 包 括 Ni36Fe 、 Ni39Fe、Ni40Fe、Ni42Fe、Ni45Fe和Ni50Fe 等低膨胀合金或定膨胀合金。
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热双金属的应用
热双金属牌号和规格的确定 1.根据使用温度确定热双金属的温度类型 中温型、高温型 2.根据动作空间、动作位移、电流等级、脱 扣力等因素通过计算确定热双金属的牌号、 规格和形状。 高灵敏型、中灵敏型、低灵敏型 3.根据计算的结果进行装机验证确认。
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热双金属的性能指标
1.线性温度范围 由于热双金属组元合金的膨胀系数与温 度变化的关系并不呈线性变化，热双金属 的弯曲位移随着温度的升高并不呈线性增 加，但在一定温度范围内，热双金属的实 际位移与用温曲率指标算出的位移相比， 变化不超过±5％，在这个范围内热双金属 的弯曲变化基本上是线性的，我们称这个 温度范围为线性温度范围。
δ ——试样厚度，单位为毫米（mm）； D1 、 D2 —— 温度为 T1 和 T2 时的试样两支点间中点位置的垂直位 移，单位为毫米（mm）； L——试样测量长度(两支点间的长度)，单位为毫米（mm）； T1、 T2——测量初始、终了温度，单位为摄氏度（℃）；
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热双金属的性能指标
比弯曲(K，Specific Deflection)
比弯曲(K)是一端固定的单位厚度 和单位长度的热双金属片，当温度变 化1℃时，其自由端的挠度变化。 比弯曲采用悬臂梁法测量。
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热双金属的性能指标
比弯曲测量示意图
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热双金属的性能指标
线性温度范围示意图
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热双金属的性能指标
2.可用温度范围
该温度范围比线性温度范围大一些， 在该温度范围内，自由变形的热双金属不 发生残余变形。在超出线性温度范围的允 许使用温度范围内，由于热双金属组元材 料膨胀系数发生较大的变化，热双金属的 热敏感性降低，但仍然可以使用。该温度 一般低于材料的居里温度，由于达到居里 温度时，材料的结构发生变化，性能也产 生变化。
复合 三层复合
受热
受热
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热双金属的组元合金
高膨胀层（HES）
膨胀系数较高的一层组元合金 低膨胀层（LES） 膨胀系数较低的一层组元合金 中间层（MID) 夹在主动层和被动层之间材料
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热双金属的主动层合金
热双金属的主动层合金要求膨胀系数大， 熔点高，复合性好，弹性模量与被动层合金相 差不大。可作为主动层材料的合金很多，有铁 镍铬、铁锰镍、锰铜镍、纯镍、纯铁、黄铜、 青铜及不锈钢等。 常用的主动层合金一般包括 Mn72Cu18Ni10、Ni22Cr3、Ni20Mn6、 Ni18Cr11、Ni19Cr2和Ni25Cr8等高膨胀合金。
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热双金属在低压电器的 设计应用及常见问题分析
霍志文 佛山精密电工合金有限公司 2008.03
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热双金属的定义
热双金属是由两种或两种以上不同膨胀 系数的金属或合金沿整个接触面牢固复合在 一起组成的，具有随温度变化而发生形状变 化的复合功能材料。
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热双金属的标记
公司牌号及蚀印标记示例：
公司 牌号 蚀印标记 佛山精密 FEPAC FPA721-110 FPA721-110 法国 IMPHY 108SP MY 108SP/IUP 108SP 德国 AUERHAMMER TB208/110 AMW TB208/110 美国 EMS（ TI) P675R TRUFLEX P675R 美国 PMC 721-675 PMC 721-675
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热双金属的标记
公司牌号及蚀印标记示例：
带有公司标记
没有公司标记
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热双金属的性能指标
序号 指标名称 1 线性温度范围(maximum sensitivity range) 2 最高使用温度(maximum recommended temperature) 温曲率(flexivity/specific curvature) 3 比弯曲(specific deflection) 4 电阻率(electrical resistivity) 5 弹性模量(modulus of elasticity) 6 比热（specific heat) 7 密度(density) 8 硬度(hardness) 9 热导率(thermal conductivity) 10 应力极限(maximum admissible stress)
热双金属的性能指标
比弯曲(K)计算公式：
f f1 f1 2 K 2 2 2 T2 T1 L (f f1 ) (f f1 ) L f1 f1
δ ——试样厚度，单位为毫米（mm）； f1——温度为T1时的挠度，单位为毫米（mm）； L——试样测量长度，单位为毫米（mm）； T1 、 T2——测量初始、终了温度，单位为摄氏度（℃）； Δ f——测量温度为T2和T1时试样的挠度差，单位为毫米（mm）
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热双金属的被动层合金
因瓦合金（INVAR)
14 12
镍的含量 对铁镍合 金的膨胀 系数影响 很大