常用金属材料的线胀系数
大学物理金属线膨胀系数测量实验报告
实验 （七） 项目名称：金属线膨胀系数测量实验一、实验目的1、学习测量金属线膨胀系数的一种方法。
2、学会使用千分表。
二、实验原理材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。
线胀系数是选用材料的一项重要指标。
特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。
固体受热后其长度的增加称为线膨胀。
经验表明，在一定的温度范围内，原长为L 的物体，受热后其伸长量L ∆与其温度的增加量t ∆近似成正比，与原长L 亦成正比，即：t L L ∆••α=∆ （1） 式中的比例系数α称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。
大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小。
殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。
实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。
某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。
另外还发现线膨胀系数与材料纯度有关，某些材料掺杂后，线膨胀系数变化很大。
因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。
但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。
为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。
由（1）式可知，测量出时杆长L 、受热后温度从1t 升高到2t 时的伸长量L ∆和受热前后的温度升高量t ∆(12t t t -=∆)，则该材料在) , (21t t 温度区域的线胀系数为：)t L (L ∆•∆=α（2）其物理意义是固体材料在)t , t (21温度区域内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为1)C (-。
测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量L ∆。
我们先粗估算一下L ∆的大小，若mm 250L =,温度变化C 100t t 012≈-，金属的α数量级为105)C (10--⨯，则估算出mm 25.0t L L ≈∆••α=∆。
对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。
可采用千分表（分度值为mm 001.0）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等方法。
材料的热膨胀系数
热膨胀系数物体由于温度改变而有胀缩现象。
其变化能力以等压(p一定)下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，即热膨胀系数表示。
线胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其某一方向上的长度的变化和它在20℃（即标准实验室环境）时的长度的比值。
各物体的线胀系数不同，一般金属的线胀系数单位为1/摄氏度。
大多数情况之下，此系数为正值。
也就是说温度变化与长度变化成正比，温度升高体积扩大。
但是也有例外，如水在0到4摄氏度之间，会出现负膨胀。
而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。
中文名：热膨胀系数英文名：coefficient of thermal expansion , CTE线膨胀系数：α=ΔL/(L*ΔT)面膨胀系数：β=ΔS/(S*ΔT)体膨胀系数：γ=ΔV/(V*ΔT)1. 概述expansion thermal coefficient热膨胀系数有线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。
式中ΔL为所给长度变化ΔT下物体温度的改变，L为初始长度；ΔS为所给面积变化ΔT下物体温度的改变，S为初始面积；ΔV为所给体积变化ΔT下物体温度的改变，V为初始体积；严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求ΔV与ΔT无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。
线热膨胀系数αLδ = 热膨胀系数* 全长* 温度变化= 10.8 * 10-6 * 100mm * 100℃= 0.108 (mm)3. 热膨胀系数的精密测试与测量能力溯源为了保证材料热膨胀系数国与国之间的量值统一和互认，国际计量局长度委员会（CCL）2004年启动过材料热膨胀系数的国际比对，有十几个国家参加了这个项目的国际比对。
为应对国际比对，更为了统一与实现国内材料的热膨胀系数测量能力及热膨胀仪测量精度，经国家局批准在国家计量院(中国计量科学研究院)建立“材料热膨胀系数国家最高标准装置”，以满足量值统一及测试需求。
常用金属材料的线胀系数
常用金属材料的线胀系数线胀系数是指材料在温度变化时的长度变化率，常用于计算材料在温度变化下的热膨胀量。
线胀系数与材料的热膨胀性能密切相关，不同金属材料具有不同的线胀系数。
以下是常用金属材料的线胀系数：1.铝（Al）：线胀系数为23.1×10^-6/℃，具有较高的导热性和导电性，常用于制造轻型结构和电气导线。
2.铜（Cu）：线胀系数为16.6×10^-6/℃，具有良好的导电性和导热性，常用于制造电线电缆、电器和管道等。
3. 钢（Steel）：线胀系数的数值因钢的类型而异，一般在10×10^-6 /℃至13×10^-6 /℃之间。
钢具有较高的强度和耐腐蚀性，广泛应用于建筑、汽车制造和机械制造等领域。
4. 不锈钢（Stainless Steel）：线胀系数的数值因不锈钢的成分和类型而有所不同，一般在15×10^-6 /℃至19×10^-6 /℃之间。
不锈钢具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性能，常用于制造厨具、化工设备和医疗器械等。
5. 镍合金（Nickel Alloy）：线胀系数的数值因镍合金的成分而异，一般在11×10^-6 /℃至15×10^-6 /℃之间。
镍合金具有优异的耐高温和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、石油化工和能源等领域。
6.钛（Ti）：线胀系数为9.0×10^-6/℃，具有较低的密度和优良的耐腐蚀性能，常用于制造航空航天器件、医疗植入材料和化工设备等。
7.铅（Pb）：线胀系数为29.2×10^-6/℃，具有较低的熔点和良好的延展性，常用于制造抗辐射材料和防护设备等。
除了上述常见金属材料外，还有许多其他金属材料的线胀系数可供参考，如铁、锌、锡、钨等。
不同材料的线胀系数可以根据实际需要在设计和工程计算中进行选择和使用，以准确计算材料在温度变化时的尺寸变化。
金属线膨胀系数测定
金属线膨胀系数的测量绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。
这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。
否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。
考虑失当，甚至会造成工程的毁损，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。
线胀系数是选用材料的一项重要指标。
特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数作测定。
一、实验教学目的1．掌握一种测线膨胀系数的方法； 2．应用逐差法处理数据。
二、实验教学重难点1.千分表的读数2.逐差法处理数据三、实验仪器与用具数字智能化热学综合实验平台、千分表、游标卡尺。
四、实验原理固体受热后其长度的增加称为线膨胀。
经验表明，在一定的温度范围内，原长为L 的物体，受热后其伸长量L ∆与其温度的增加量t ∆近似成正比，与原长L 亦成正比，即L L t α∆=∆式中的比例系数α。
大量实验表明，不同材几种材料的线胀系数实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。
某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。
因此测定线胀系数也是了解材料持性的一种手段。
但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。
为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。
由（1）式可知，测量出1t 时杆长L 、受热后温度达2t 时的伸长量L ∆和受热前后的温度1t 及2t ，则该材料在（1t ，2t ）温区的线胀系数为：21()LL t t α∆=- （2）其物理意义是固体材料在（t 1,t 2）温区内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为（℃）-1。
测线胀系数的主要问题是如何测伸长量ΔL 。
先粗估算出ΔL 的大小，若L ≈250mm ，温度变化t 2－t 1≈100℃，金属的a 数量级为10-5（℃）-1，则可估算出ΔL ≈0.25mm 。
金属线膨胀系数测量实验报告
成绩：指导教师：
专业：班别：实验时间：
实验人：学号：同组实验人：
实验名称：金属线膨胀系数测量
实验目的: 1、学习测量金属线膨胀系数的一种方法。
2、学会使用千分表。
实验仪器：
型号规格
单位
数量
备注
FB7 1 2型金属线膨
胀系数测定仪
台
1
被测件测试架
台
1
千分表
只
1
传感器连接线
根
2
L=80cm红黑各一根
测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量△L。我们先粗估算一下△L的大小，若L=250mm，温度变化t2一t1≈100℃，金属的α数量级为×10－5（℃）－1，估算△L=α·L·△t≈0.25mm。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表(分度值为0．001mm)、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等方法测量。本实验就用分度值为0．001mm的千分表测量。
⒏用逐差法求出温度每升高5℃金属棒的平均伸长量，由(2)式即可求出金属棒在(35℃，70℃)温度区间的线膨胀系数。
【数据记录及处理】
数据记录1：
测量次数
1
2
3
平均值
铜棒有效长度（mm）
铝棒有效长度(mm)
数据记录2：
样品温度（℃）
35
40
45
50
55
60
65
70
测铜棒千分表读数Li（×10－6m）
测铝棒千分表读数Li（×10－6m）
用逐差法处理数据（也可以用最小二乘法处理）
计算α铜、计算α铝
附几种纯金属材料的线膨胀系数：
物质名称温度范围（℃）线膨胀系数×10－6（℃）－1
常见金属-热膨胀系数-精华版
金属材料的热膨胀系数YD10 0S TFE GUID E 的长度计算:线膨胀系数8.3X1 0(-5 )1.区分Ａ：瞬间热膨胀系数长度△L=(d+ 1)×π×8.3×10^(-5)×(200-20)2.区分Ｂ：平均热膨胀系数所以L=(d+1)×π-1.83槽的内径公差=d×8.3×10^(-5)×(200-20)/10;为槽内的多100018.90 3.个材料的区分如下表示 1)碳素钢、合金钢(区分1) ・碳素钢 ・ 3/4Ni-1/2Mo-Cr-V ・3/4Ni-1Mo-3/4Cr ・碳・钼钢 ・3/4Ni-1/2Mo-1/3Cr-V ・1Ni-1/2Cr-1/2Mo・ 1/2Ni-1/2Mo-V ・3/4Ni-1/2Cr-Mo-V 2)碳素钢、合金钢(区分2)・碳・硅钢 ・ 1/2Cr-1/2Mo ・1Cr-1/5Mo-Si ・1/2Mo ・1Cr-1/5Mo-V ・1Cr-1/2Mo・1Cr-1Mn-1/4Mo ・1Cr-1/5Mo ・1・3/4Cr-1/2Mo-Cu0.15145.15 3)碳素钢、合金钢(区分3) 2.382712.4 ・碳・钼钢 ・ 1・1/4Ni-1/2Mo ・2Cr-1/2Mo ・1/2Cr-1/4Mo-Si ・1・1/4Cr-1/2Mo-Si ・3Cr-1Mo ・1Cr-1/2Mo-V 4)碳素钢、合金钢(区分4) ・Mn-1/2Mo ・Mn-1/2Mo-1/2Ni ・Mn-1/2Mo-1/4Ni ・Mn-1/2Mo-3/4Ni 水泥在1000度以上的热膨胀系数为5.8 5)碳素钢、合金钢(区分5)310S 在800度时热膨胀系数为18.5・1.1/4Ni-1Cr-1/2Mo ・2Ni-3/4Cr-1/4Mo ・3.1/2Ni ・1.3/4Ni-3/4Cr-1/4Mo ・2Ni-3/4Cr-1/2Mo 310S 在1000度时热膨胀系数为19.5・3.1/2Ni-1.3/4Cr-1/2Mo-V ・2Ni-1Cu ・2.1/2Ni ・1Cr-1/2Mo-V6)奥氏体不锈钢SS(区分1) 7)奥氏体不锈钢SS(区分2)8)奥氏体不锈钢SS(区分3)・18Cr-13Ni-3Mo ・18Cr-12Ni-2Mo ・17Cr-4Ni-Cu・18Cr-5Ni-3Mo9)奥氏体不锈钢SS(区分4) 10)奥氏体不锈钢SS(区分5)11)奥氏体不锈钢SS(区分6)・18Cr-8Ni ・18Cr-11Ni ・18Cr-10Ni-Ti・18Cr-10Ni-Cb0.45912)奥氏体不锈钢SS(区分7) 13)奥氏体不锈钢SS(区分8)14)奥氏体不锈钢SS(区分9)0.505・18Cr-9Ni-Mo-W ・22Cr-13Ni-5Mn・25Cr-12Ni・23Cr-12Ni・25Cr-20Ni15)奥氏体不锈钢SS(区分10) 16)奥氏体不锈钢SS(区分11)・(660)26Ni-15Cr-2Ti ・28Ni-19Cr-Cu-Mo17)马氏体不锈钢SS(区分 ・12Cr ・12Cr-1Al ・13Cr ・13Cr-4Ni18)马氏体不锈钢SS(区分2) 19)马氏体不锈钢SS(区分3)・17Cr ・27Cr20)高镍合金(区分1) 21)高镍合金(区分2)22)高镍合金(区分3)・Ni-Cr-Fe(NCF600) ・Ni-Fe-Cr(NCF800,NCF800H)・Ni-Fe-Cr-Mo-Cu(NCF825,GNCF2種及び３23)高镍合金(区分4) 24)高镍合金(区分5)25)高镍合金(区分6)・Ni-Cr-Mo-Cb(NCF625,GNCF1種) ・Ni-Fe-Cr-Mo-Cb(NCF718)・Ni-Cr(NCF750)。
常用金属材料的线胀系数
常用金属材料的线胀系数
线胀系数是指物质在温度升高时线性膨胀的比例关系。
当温度升高时，物质分子的活动增强，导致物体的尺寸发生改变，这个现象就是热膨胀。
常见的金属材料在不同温度区间具有不同的线胀系数。
下面将介绍一些常
用金属材料的线胀系数。
1.铝（铝合金）：铝和铝合金的线胀系数在常温到300℃范围内大约
为23x10^-6K^-1
2.铜（铜合金）：纯铜的线胀系数在常温到300℃范围内大约为
16.5x10^-6K^-1、不同的铜合金由于合金元素的不同而有所差异。
3.镍（镍合金）：镍和镍合金在常温到300℃范围内的线胀系数大约
为13.4x10^-6K^-1
4.钢：普通碳素钢的线胀系数在常温到300℃范围内大约为
11.7x10^-6K^-1、不同种类的钢可能会有细微的差异。
5.不锈钢：不锈钢的线胀系数在常温到300℃范围内大约为16x10^-
6K^-1、不同牌号的不锈钢具体数值可能会有所不同。
6.钨：钨的线胀系数在常温到300℃范围内大约为4.5x10^-6K^-1
7.铁：纯铁的线胀系数在常温到300℃范围内大约为12x10^-6K^-1
8.银：纯银的线胀系数在常温到300℃范围内大约为18x10^-6K^-1
9.铅：纯铅的线胀系数在常温到300℃范围内大约为29x10^-6K^-1
这些数值仅为近似值，实际应用时还需要考虑其他因素的影响。
此外，线胀系数还受材料的工艺处理、晶体结构等因素的影响，不同的合金成分
可能会导致不同的线胀系数。
因此，在具体的工程应用中，需要根据实际情况选择合适的金属材料和温度范围，并参考相关的资料和标准进行计算和设计。
金属线膨胀系数测量实验报告
其物理意义是固体材料在（t1，t2)温度区域内，温度每升高1℃时材料的相对伸长量，其单位为（℃）－1
⒏用逐差法求出温度每升高5℃金属棒的平均伸长量，由(2)式即可求出金属棒在(35℃，70℃)温度区间的线膨胀系数。
【数据记录及处理】
数据记录1：
测量次数
1
2
3
平均值
铜棒有效长度（mm）
铝棒有效长度(mm)
数据记录2：
样品温度（℃）
35
40
45
50
55
60
65
70
测铜棒千分表读数Li（×10－6m）
测铝棒千分表读数Li（×10－6m）
【实验内容和步骤】
⒈把样品空心铜棒、铝棒安装在测试架上。在室温下用米尺重复测量金属杆的原有长度2～3次，记录到表1中，求出L原有长度的平均值。
2．参照图1安装好实验装置，连接好加热胶管，打开电源开关，以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况。水箱容积大约为750ml。
3．加水步骤：先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口橡胶盖，用漏斗从加水口往系统内加水，管路中的气体将从溢水管口跑出，直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮，其余都转变为绿灯时，可以先关闭溢水管口橡胶盖。接着可以按下强制冷却按钮，让循环水泵试运行，由于系统内可能存在大量气泡，造成水位计显示虚假水位，只有利用循环水泵试运行过程，把系统内气体排出，这时候水位下降，仪器自动保护停机。(说明：为了保护加热器不损坏，仪器设计了自动保护装置，只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却装置，系统水位过低、缺水将自动停机。)因此，在虚假水位显示已满的情况下，可采用反复启动强制冷却按钮，利用循环水泵的间断工作把管路中的空气排除，即启动强制冷却按钮一自动停机一再加水的反复过程，直到最终系统的水位计稳定显示，水位计只剩上方一个红灯未转变为绿灯，此时必须停止加水，以防水从系统溢出，流淌到实验桌上。接下来即可进行正常实验，实验过程中发现水位下降，应该适时补充。