材料的热膨胀
各种材料热膨胀系数
食盐
40
不锈钢
14.4-16.0
苯
1.23
铍
12.3
碳纤维(HM 35 in L?ngsrichtung)
-0.5
钛
10.8
氯仿(三氯甲烷)
1.28
水泥
6 – 14
康铜
15.2
铋
14
果酸
1.07
铅
29.3
Kovar
~ 5
钨
4.5
乙醚
1.62
铜
17.5
铜
16.5
锌
36
乙酸乙酯
1.38
镉
41
镁
26
各种材料热膨胀系数
热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE）是指物质在热胀冷缩效应作用之下，几何特性随着温度的变化而发生变化的规律性系数。
实际应用中，有两种主要的热膨胀系数，分別是：
线性热膨胀系数：a=1/L*△L/△T
体积热膨胀系数：γ=1/V0*(аV/аt)p
物质
α in 10-6/K 20 °C
物质
α in 10-6/K 20 °C
物质
γ in 10-3/K 20 °C
铝
23.2
木头, Eiche
8
银
19.5
酒精(乙醇)
1.1
纯铝
23.0（铝的热膨胀系数高达23μm/m.℃。）
不变钢
1.7-2.0
锡
2
丙酮
1.43
锑
10.5
铱
6.5
钢
13
汽油Байду номын сангаас
1.06
材料的热膨胀行为及其在工程中的应用
材料的热膨胀行为及其在工程中的应用材料的热膨胀行为是指当材料受热时，其体积、长度和面积会发生改变的现象。
热膨胀行为是由于物质内部原子的热运动引起的，随着温度的升高，原子的热振动增强，从而使材料的尺寸发生变化。
热膨胀在工程中有着广泛的应用，下面将从材料选择、结构设计和工程实践等方面进行论述。
1. 材料选择在工程设计中，我们需要考虑材料的热膨胀系数。
热膨胀系数是描述材料热膨胀行为的物理量，它表示在单位温度变化下，材料单位长度的形变量。
不同材料的热膨胀系数存在差异，因此在选材时需要根据具体的工程要求和环境条件来选择合适的材料。
例如，在建筑领域中，由于环境温度的变化以及建筑材料的特性差异，我们需要选择具有相似热膨胀系数的材料来减小热膨胀对结构的影响。
另外，在航空航天、核工程等领域，材料的低热膨胀系数是一个重要的考虑因素，以确保材料在极端温度环境下的稳定性与可靠性。
2. 结构设计在工程结构设计中，必须合理考虑材料的热膨胀行为，以避免由于热膨胀引起的变形、开裂等问题。
一种常见的应用是利用热膨胀行为来设计伸缩缝和隔热层。
伸缩缝可以有效地补偿材料由于温度变化而引起的体积变化，防止产生过大的应力，从而减小结构的变形和破坏风险。
在建筑物、桥梁、管道等工程中广泛采用伸缩缝的设计，以确保结构的稳定性与耐久性。
隔热层的设计也是基于材料的热膨胀行为。
在高温环境下，结构材料容易受到热膨胀的影响，从而导致材料性能的下降和破坏。
通过在结构表面覆盖一层隔热材料，可以减少热膨胀对结构的直接作用，提高结构的稳定性和耐用性。
3. 工程实践热膨胀行为在工程实践中的应用包括管道的伸缩补偿、高温设备的设计等。
管道的伸缩补偿是为了解决由于温度变化引起的管道变形和应力增大问题。
通过在管道中安装伸缩补偿器，可以有效地补偿热膨胀引起的管道变形，保证管道的正常运行。
在高温设备的设计中，必须考虑材料的热膨胀特性。
例如，在炉膛的设计中，需合理预留热膨胀空间，以避免设备由于热膨胀而产生应力集中和变形等问题。
不同温度下金属材料的热膨胀系数变化规律
不同温度下金属材料的热膨胀系数变化规律金属材料的热膨胀系数是指在温度变化过程中，金属材料长度、面积或体积的增加量与初始长度、面积或体积的比例关系。
随着温度的变化，金属材料的分子热运动增加，导致金属晶格的变形，从而引起金属材料的尺寸变化。
本文将探讨不同温度下金属材料的热膨胀系数变化规律，并分析其影响因素。
一、热膨胀系数的定义与单位热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion）是衡量物质热膨胀性质的物理量，表示单位温度变化下物质长度、面积或体积的相对变化率。
热膨胀系数通常用α表示，其定义可以用下式表示：α = (1 / L) * (dL / dT)其中，α为热膨胀系数，L为原始长度，dL为长度变化量，dT为温度变化量。
热膨胀系数的单位通常为每摄氏度（℃）的倒数，即1/℃或K-1。
在国际单位制中，热膨胀系数的单位为1/K，与1/℃几乎相等。
二、不同温度下金属材料的热膨胀系数变化规律金属材料的热膨胀系数与温度有一定的关系，不同金属材料的热膨胀系数变化规律也有所不同。
一般来说，金属材料的热膨胀系数随温度的升高而增加。
1. 线膨胀系数线膨胀系数是指金属材料单位长度的膨胀量与温度变化之间的比例关系。
线膨胀系数可以用下式表示：ΔL = L0 * α * ΔT其中，ΔL为长度变化量，L0为初始长度，α为线膨胀系数，ΔT为温度变化量。
不同金属材料的线膨胀系数存在差异。
一般来说，常见的常温下金属材料的线膨胀系数按从小到大的顺序排列为：铁 < 铝 < 铜 < 铅 < 锌。
然而，随着温度的升高，这个顺序可能会发生变化。
2. 面膨胀系数面膨胀系数是指金属材料单位面积的膨胀量与温度变化之间的比例关系。
面膨胀系数可以用下式表示：ΔA = A0 * β * ΔT其中，ΔA为面积变化量，A0为初始面积，β为面膨胀系数，ΔT为温度变化量。
面膨胀系数与线膨胀系数类似，也随温度的升高而增加。
铝材的热胀冷缩和塑料热膨胀系数
铝材的热胀冷缩和塑料热膨胀系数在日常生活中，我们经常会接触到不同材料的热胀冷缩和热膨胀现象，而铝材和塑料作为常见的材料，它们的热胀冷缩和热膨胀系数对于工程和生活中的设计和应用有着重要的影响。
本文将从简单到深入地探讨铝材的热胀冷缩和塑料热膨胀系数，希望能够帮助读者更全面地了解这一主题。
1. 热胀冷缩和热膨胀概念热胀冷缩和热膨胀是物体在温度变化时产生的尺寸变化现象。
当物体受热时，其分子内部的热运动增强，导致分子间距增大，从而使物体的体积和表面积扩张，这就是热膨胀现象。
相反，当物体受冷时，分子内部的热运动减弱，分子间距减小，导致物体的体积和表面积收缩，这就是热胀冷缩现象。
2. 铝材的热胀冷缩系数铝材是一种常见的金属材料，具有较高的导热性和导电性，因此在工业和建筑领域得到广泛应用。
铝材的热胀冷缩系数是指在温度变化过程中，单位长度的铝材在长度方向上的变化量与原长度的比值。
一般来说，铝材的热胀冷缩系数约为23×10^-6/℃，这意味着在每摄氏度的温度变化下，每米长度的铝材在长度方向上会发生0.0023毫米的变化。
了解铝材的热胀冷缩系数有助于工程设计和制造过程中的尺寸控制和变形补偿。
3. 塑料的热膨胀系数与金属材料不同，塑料是一种常见的非金属材料，具有良好的韧性和成型性，被广泛应用于包装、建筑、电子设备等领域。
塑料的热膨胀系数是指在温度变化过程中，单位长度的塑料在长度方向上的变化量与原长度的比值。
不同类型的塑料具有不同的热膨胀系数，一般来说，聚乙烯的热膨胀系数约为100×10^-6/℃，聚丙烯的热膨胀系数约为120×10^-6/℃。
了解塑料的热膨胀系数有助于在温度变化环境下预测塑料制品的变形情况，并进行合理设计和选材。
4. 个人观点和理解热胀冷缩和热膨胀系数是材料科学中重要的参数之一，对于工程设计和生活应用有着重要的影响。
了解不同材料的热胀冷缩和热膨胀系数，有助于合理选择材料、预测材料在温度变化环境下的性能表现，从而保证工程和产品的稳定性和可靠性。
热膨胀对材料应力分析
热膨胀对材料应力分析自然界中，温度是一个普遍而重要的因素。
在实际工程中，温度变化会对材料产生应力和变形。
这种现象被称为热膨胀。
热膨胀的存在可能会导致材料局部的扭曲、开裂和变形，因此，在设计和制造过程中，对材料的热膨胀特性进行准确的应力分析是至关重要的。
热膨胀是物质在温度变化时体积的变化。
当物质受热时，分子之间的距离增加，导致物质的体积膨胀。
相反，当物质冷却时，分子之间的距离减小，物质体积收缩。
这种体积的变化会产生内部应力。
要分析材料在温度变化下的应力，需要了解材料的热膨胀系数。
热膨胀系数是一个描述材料在温度变化下体积变化率的指标。
热膨胀系数可以用来计算材料在不同温度下的应力。
常见的热膨胀系数单位是1/℃。
对于不同材料，其热膨胀系数可以有很大的差异。
例如，金属通常具有较大的热膨胀系数，而陶瓷则具有较小的热膨胀系数。
在实际应用中，材料的热膨胀特性会影响结构的稳定性和寿命。
例如，在建筑领域中，混凝土结构的膨胀和收缩会导致裂缝和结构的损坏。
因此，工程师需要在设计之初就考虑到材料的热膨胀特性，并采取相应的措施来减小热膨胀对结构的影响。
为了准确分析材料的热膨胀导致的应力分布，需要使用一些数学模型和工具。
其中一个常用的方法是有限元分析。
有限元分析是一种将材料离散成多个小区域，并通过求解一系列线性方程组来确定各个小区域的位移和应力的数值方法。
通过有限元分析，工程师可以准确地预测和评估材料在不同温度下的应力分布情况。
除了有限元分析，还有许多其他方法可以分析材料的热膨胀对应力的影响。
例如，可以使用热膨胀仪来测量材料在不同温度下的膨胀和收缩。
通过实验数据可以得到材料的热膨胀系数。
此外，还可以使用热力学基本方程来计算材料的热膨胀系数。
这些方法的选择取决于具体的应用和实验条件。
总之，热膨胀对材料应力分析是工程设计中的一个重要环节。
通过准确分析材料的热膨胀特性，工程师可以预测和评估结构在不同温度下的应力分布，从而采取相应的措施来保证结构的稳定性和寿命。
金属材料热膨胀系数及计算公式
金属材料热膨胀系数及计算公式一、引言金属材料在受热时会发生热膨胀现象，即体积会随温度的升高而增大。
这是由于金属内部的原子和分子在受热后具有更大的运动能量，导致晶格结构发生变化，从而引起金属材料的体积膨胀。
二、热膨胀系数热膨胀系数是描述材料在温度变化下体积膨胀程度的物理量。
它表示单位温度变化时单位长度（或单位面积）的长度（或面积）变化量，通常用符号α表示。
单位一般为1/℃或1/K。
三、热膨胀系数的计算公式热膨胀系数可以通过实验测量得到，也可以通过理论计算得到。
以下是常见金属材料热膨胀系数的计算公式：1.线膨胀系数（αl）：线膨胀系数是指在单位长度上的膨胀量，通常用于描述材料在长度方向上的膨胀情况。
线膨胀系数可以通过以下公式计算：αl = (ΔL / L0) / ΔT其中，ΔL为温度变化下的长度变化量，L0为初始长度，ΔT为温度变化量。
2.表膨胀系数（αA）：表膨胀系数是指在单位面积上的膨胀量，通常用于描述材料在面积方向上的膨胀情况。
表膨胀系数可以通过以下公式计算：αA = (ΔA / A0) / ΔT其中，ΔA为温度变化下的面积变化量，A0为初始面积，ΔT为温度变化量。
3.体膨胀系数（αV）：体膨胀系数是指在单位体积上的膨胀量，通常用于描述材料在体积方向上的膨胀情况。
体膨胀系数可以通过以下公式计算：αV = (ΔV / V0) / ΔT其中，ΔV为温度变化下的体积变化量，V0为初始体积，ΔT为温度变化量。
四、金属材料的热膨胀系数不同金属材料的热膨胀系数有所差异，下面是一些常见金属材料的热膨胀系数范围：1.铝（Al）：线膨胀系数为22.2-25.5 × 10^-6/℃，表膨胀系数为69 × 10^-6/℃，体膨胀系数为71 × 10^-6/℃。
2.铜（Cu）：线膨胀系数为16.6-17 × 10^-6/℃，表膨胀系数为59 × 10^-6/℃，体膨胀系数为60 × 10^-6/℃。
高热膨胀系数材料
高热膨胀系数材料
高热膨胀系数的材料主要有以下几种：
1、石墨：在高温下能够迅速膨胀，因此在高温实验室、航空航天等领域得到广泛应用。
2、铜：也是一种能够在高温下膨胀的材料，线性膨胀系数比较大，材料的强度和硬度也比较高，可以用于高温条件下的机械零件和导电线路。
3、高膨胀合金：一般在室温至100℃温度范围内具有很高的膨胀系数，其平均线膨胀系数高于15×10/℃。
例如，Cu60Zn40、FeNi22Cr3、FeNi20Mn6、FeNi13Mn7和Mn72Cr18Ni10合金都是高膨胀合金的例子。
此外，由Ni、Co、Fe等过渡族元素组成的某些合金，由于它们的铁磁性在一定的温度范围内具有被称为因瓦效应的反常热膨胀行为，因而可以获得各种不同膨胀系数的合金。
各种材料热膨胀系数
镍
13.0
铂
9.0
尼龙
120.0
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
85.0
聚氯乙烯(PVC)
80.0
瓷器
3.0
银
19.5
锡
2.0
钢
13.0
不锈钢
14.4-16.0
钛
10.8
铋
14.0
钨
4.5
锌
36.0
锡
26.7
一些液体的体积热膨胀系数 γ
物质
γ in 10-3/K 20 °C
酒精(乙醇)
1.10
丙酮
0.5
玻璃陶瓷(Zerodur)
< 0.1
金
14.2
花岗岩
3.0
石墨
2.0
灰铸铁
9.0
木头, Eiche
8.0
不变钢
1.7-2.0
铱
6.5
食盐
40.0
碳纤维(HM 35 in L?ngsrichtung)
-0.5
康铜
15.2
Kovar
~ 5
铜
16.5
镁
26.0
锰
23.0
砖
5.0
黄铜
18.4
钼
5.2
新银
ngsrichtung05康铜152kovar5铜165镁260锰230砖50黄铜184钼52新银180镍130铂90尼龙1200聚甲基丙烯酸甲酯pmma850聚氯乙烯pvc800瓷器30银195锡20钢130不锈钢144160钛108铋140钨45锌360锡267一些液体的体积热膨胀系数丫物质丫in103k20c酒精乙醇110丙酮143汽油106苯123氯仿三氯甲烷128果酸107乙醚162乙酸乙酯138甘油propantriol049甲醇110mineral
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部分材料的线性膨胀系数
材料名称
Al Ti Cr Fe Ni Cu W Invar合金6Ni-Fe 铸铁 黄铜
Si Al2O3 SiC Si3N4 石英玻璃
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材料热膨胀的本质: 在于晶格点阵实际上在作非 简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际 上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。
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3.晶体缺陷对热膨胀的影响
实际晶体中总是含有某些缺陷, 它们在室温处于“ 冻结” 状态, 但 它们可明显地影响晶体的物理性能。 Timmesfeld等人研究了空位对固体热膨胀的影响。由空位引起的晶 体附加体积变化为:
△ V = BV0exp[-Q/kT]
变点处a 将为无限大。
二级相变：相变时两相的化学势相等, 相变时
虽然没有体积的不连续变化, 但仍存在膨胀系
数的不连续变化。属于二级相变的磁性转变和
有序无序转变,在其相变处膨胀系数温度曲线上
有折点。 Copyright © Sino-i Technology Limited All rights reserved
式中，Q 是空位形成能，B 是常数， V0是晶体0k时的体积，k 是玻 耳兹曼常数，T 是温度( K )。这里的空位可以由辐射或高温淬火产 生。
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4.晶体各向异性对热膨胀的影响
由于晶体结构的不对称性, 在不同的晶轴上产生 不相等的热膨胀, 所以晶体的热膨胀量也需要用六 个独立的参数来表征。
固体中热膨胀的各向异性可以定性地从原子间结 合力的强弱来说明。在非立方晶系中, 特别是在具 有一次轴对称的晶系中，平行于轴向和垂直于轴向 的原子间结合力差别甚大。若在某一个方向上结合 力较其它方向为小，则晶体首先在该方向上受到热 激发，因此在该方向上的热膨胀迅速增加，与此同 时往往伴随着垂直于该方向上的收缩，因此出现膨 胀系数的负值。
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2.相变对热膨胀的影响
当金属和合金发生一级或二级相变时, 其膨胀
量和膨胀系数都会发生变化。
一级相变：金属与合金中的大多数相变都属于
一级相变, 一级相变的特征是能量、体积和晶
体结构的不连续变化, 即是转变将伴随比容的
突变, 相应的膨胀系数将有不连续的变化, 其转
αl /10-6 K-1 24.9 9.2 10.60 16.7 17.1 17.18 5.19 0~2 10.5 ~ 12 18.5 ~ 21 6.95 8.8 4.7 2.7 0.5
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1. 合金成分对热膨胀的影响
组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀 的影响极为明显。固溶体中加人膨胀系数大
的溶质元素时, 膨胀系数增大; 反 之, 加人溶质元素的膨胀系数较 小时, 固溶体的膨胀系数减小。
αl
Cu-Au合金
膨胀系数
rE / %
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Thank You!
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原子间相互作用的势能 曲线
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二、 热膨胀系数
定义：在等压(p一定)下，单位 温度变化所导致的体积变化， 即热膨胀系数。
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线膨胀系数α：α=ΔL/(L*ΔT)
面膨胀系数β：β=ΔS/(S*ΔT) 体膨胀系数γ：γ=ΔV/(V*ΔT)
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。
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材料的热膨胀
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一、 热膨胀的本质
定义：通常是指外压强不变的 情况下，大多数物质在温度升 高时，其体积增大，温度降低 时体积缩小的现象。
温度范围 303 ~ 573 153 ~ 1133 523 ~ 753 303 ~ 1123 693 ~ 1263
373 1573 293 ~ 373 273 ~ 473 293 ~ 573 273 ~ 373 273 ~1273 273 ~1273 273 ~1273 273 ~1273
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ITSM / ITI与温度之间的关系
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三、 影响热膨胀的因素