金屬材料熱膨脹系數的測定第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四一、實驗目的1．了解測定材料熱膨脹曲線對生產的指導意義。2．掌握示差法測定熱膨脹系數的原理和方法。第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述對于一般的金屬材料，通常所說膨脹系數是指線膨脹系數，其意義是溫度升高1℃時單位長度上所增加的長度，單位為cm?cm-1?℃-1（即℃-1）。假設物體原來的長度為L0，溫度升高后長度的增加量為ΔL，則ΔL/L0=α1ΔT 23-1式中α1——線膨脹系數，也就是溫度每升高1℃時，物體的相對伸長。第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述當物體的溫度從T1上升到T2時，其體積也從V1變化為V2，則該物體在T1～T2的溫度范圍內，溫度每上升一個單位，單位體積物體的平均增長量為β=(V1-V2)/V1(T1-T2) 23-2式中-β——平均體膨脹系數。第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述從測試技術來說，測體膨脹系數較為復雜。因此，在討論材料的熱膨脹系數時，常常采用線膨脹系數α=(L1-L2)/L1(T1-T2) 23-3式中α——材料的平均線膨脹系數；L1——在溫度為T1時試樣的長度；L2——在溫度為T2時試樣的長度。α與β的關系是：β=3α+3α2?ΔT2+α3?ΔT3上式中的第二項和第三項非常小，在實際中一般略去不計，而取β≈3α 23-4第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述膨脹系數實際上并不是一個恒定的值，而是隨溫度變化的，所以上述膨脹系數都是具有在一定溫度范圍ΔT內的平均值的概念，因此使用時要注意它適用的溫度范圍，一些典型鋼鐵材料的膨脹系數見表23-1。示差法是基于采用熱穩定性較好的材料如石英玻璃（棒和管）在較高溫度下，其線膨脹系數隨溫度而改變的性質很小，當溫度升高時，石英玻璃與其中的待測試樣與石英玻璃棒都會發生膨脹，但是待測試樣的膨脹比石英玻璃管上同樣長度部分的膨脹要大。因而使得與待測試樣相接觸的石英玻璃棒發生移動，這個移動是石英玻璃管、石英玻璃棒和待測試樣三者的同時伸長和部分抵消后在千分表上所顯示的ΔL值，它包括試樣與石英玻璃管和石英玻璃棒的熱膨脹之差值，測定出這個系統的伸長之差值及加熱前后溫度的差數，并根據已知石英玻璃的膨脹系數，便可算出待測試樣的熱膨脹系數。第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述表23-1常見鋼鐵材料線膨脹系數材料溫度范圍℃20～10020～20020～30020～40020～60020～700碳鋼10.6～12.211.3～1312.0～13.512.9～13.913.5～14.314.7～15高速鋼——-----10.4～12.6-----------------鉻鋼11.211.812.41313.6------3Cr1310.211.111.611.912.312.8

1Cr18Ni9Ti16.61717.217.517.918.6鑄鐵8.7～11.18.5～11.610.1～12.211.5～12.711.5～12.712.9～13.2第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述圖23-1是石英膨脹儀的工作原理示意圖，由圖中可見，膨脹儀上千分表的讀數為ΔL=ΔL1－ΔL2ΔL1=ΔL+ΔL2根據定義，待測試的線膨脹系數為：α=(ΔL+ΔL2)/(LΔT)=ΔL/(LΔT)+ΔL2/(LΔT)其中：ΔL2/(LΔT)=α第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述圖23-1石英膨脹儀的工作原理分析圖第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗原理概述所以：α=α石+ΔL/(LΔT)23-5若溫度差為T2-T1，則待測試樣的平均線膨脹系數α可按下式計算α=α石+ΔL/L(T2-T1)23-6式中α石——石英玻璃的平均線膨脹系數，按下列溫度范圍取值：5.7×10-7℃-1(0～300℃)，5.9×10-7℃-1(0～400℃)，5.8×10-7℃-1(0～1000℃)，5.97×10-7℃-1(200～700℃)。T1——開始測定時的溫度；T2——一般定為300℃（若需要，也可定為其他溫度）；ΔL——試樣的伸長值，即對應于溫度T2與T1時千分表讀數之差值，以mm記錄；L——試樣的原始長度，mm。這樣，將試樣數據在直角坐標系上作出熱膨脹曲線，可以確定試樣的線膨脹系數。第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四三、實驗設備及材料石英膨脹儀（包括管式電爐、特制石英玻璃管、石英玻璃棒、千分表、熱電偶、電位差計、電流2kV?A調壓器等）。待測試樣（金屬或合金材料）。小砂輪片（磨平試樣端面用），卡尺（量試樣長度用），秒表（計時用）。實驗裝置如圖23-2所示。圖23-2示差法測定材料膨脹系數的裝置第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四三、實驗設備及材料1—測溫熱電偶；2—膨脹儀電爐；3—電熱絲；4—電流表；5—調壓器；6—電爐鐵殼；7—銅柱電爐芯；8—待測試棒；9—石英玻璃棒；10—石英玻璃管；11—遮熱板；12—鐵制支撐架；13—千分表；14—水瓶；15—水銀溫度計；16—電位差計第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四四、實驗步驟與方法1．試樣的準備(1)取無缺陷材料作為測定膨脹系數的試樣。(2)試樣尺寸依不同儀器的要求而定。一般石英膨脹儀要求試樣直徑為5～6mm，長為(60±0.1)mm；UBD萬能膨脹儀要求試樣直徑為3mm、長為(50±0.1)mm；Weiss立式膨脹儀要求試樣直徑為12mm、長為(65±0.1)mm。(3)把試棒兩端磨平，用千分卡尺精確量出長度。第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四四、實驗步驟與方法2．測試操作要點(1)被測試樣和石英玻璃棒、千分表頂桿三者應先在爐外調整成平直相接，并保持在石英玻璃管的中心軸區，以消除摩擦與偏斜影響造成誤差。(2)試樣與石英玻璃棒要緊緊接觸使試樣的膨脹增量及時傳遞給千分表，在加熱測定前要使千分表頂桿緊至指針轉動2～3圈，確定一個初讀數。(3)升溫速度不宜過快，以控制(2～3)℃/min為宜，并使整個測試過程均勻升溫。(4)熱電偶的熱端盡量靠近試樣中部，但不應與試樣接觸。測試過程中不要觸動儀器，也不要振動實驗臺桌第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四四、實驗步驟與方法3．測試步驟(1)接好并檢查電路。(2)把石英玻璃管架在鐵架上。(3)先把準備好的待測試樣小心地裝入石英玻璃管內，然后裝進石英玻璃棒，使石英玻璃棒緊貼試樣，在支架的另一端裝上千分表，使千分表的頂桿輕輕頂壓在石英玻璃棒的末端，把千分表轉到零位。(4)將臥式電爐沿滑軌移動，將管狀電爐的爐芯套上石英玻璃管，使試樣位于電爐中心位置（即熱電偶端位置）。(5)合上電閘，接通電源，等電壓穩定后，調節自偶調壓器，以每分鐘3℃的速度升溫，每隔2min記一次千分表的讀數和電位差計的讀數，直到千分表上的讀數向后退為止。第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四五、實驗報告要求1．根據原始數據繪出被測材料的線膨脹曲線。2．將實驗所測數據記入表23-2中。并計算被測材料的平均膨脹系數。第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期四五、實驗報告要求表23-2實驗結果記錄表試樣編號試樣長度試樣溫度千分表讀數試樣伸長值膨脹系數L/mmT/℃