金屬熱膨脹系數(shù)測量

1、金屬線熱膨脹系數(shù)測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解千分表膨脹儀的結(jié)構(gòu)和原理。2、掌握相變對金屬熱膨脹系數(shù)的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理1、線熱膨脹系數(shù)的確定當(dāng)溫度由T1到T2,相應(yīng)地長度由L1變到L2時(shí)，材料在該溫區(qū)的平均熱膨脹系數(shù)為：LLL21(TT)LITL2111平均線性膨脹系數(shù)，表示溫度升高1K時(shí)物體長度的相對增大。當(dāng)T時(shí)，真線性膨脹系數(shù)T為BdL)tdTLT膨脹系數(shù)的單位為長。固體材料aT不是一個(gè)常數(shù)，通常隨溫度升高而加大。2、金屬正常熱膨脹的來源金屬固體多以晶態(tài)存在，周期排列的原子都在圍繞其平衡位置做簡諧振動(dòng)，隨溫度增加，振幅加大，動(dòng)能隨之增加。3、影響熱膨脹的主要因素金屬熱膨脹系數(shù)主要與其化學(xué)成分、

2、晶體結(jié)構(gòu)和鍵強(qiáng)度等密切相關(guān)。鍵強(qiáng)度：鍵強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)低；金屬熔點(diǎn)高，鍵強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)低。晶體結(jié)構(gòu)：a結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而比較松散的非晶態(tài)的熱膨脹系數(shù)都較小。如多晶石英與無定形石英。b非等軸晶系的晶體，各晶軸方向的膨脹系數(shù)不等，如石墨等層狀結(jié)構(gòu)材料，層內(nèi)聯(lián)系緊密，而層間聯(lián)系較松散，使得層間膨脹系數(shù)較小，而層內(nèi)膨脹系數(shù)較大。相變的影響a一級相變：如純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排時(shí)體積突變，伴隨著金屬比容突變，導(dǎo)致線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。b二級相變：發(fā)生二級相變時(shí)，體積沒有變化，也沒有伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹系數(shù)等物理量發(fā)生變化。如有序-無序轉(zhuǎn)變時(shí)，膨脹系

3、數(shù)在相變溫區(qū)僅出現(xiàn)拐折。金屬與合金在接近居里溫度發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，其膨脹曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹峰。與正常曲線相比，它具有明顯的反?，F(xiàn)象，其中Ni和Co具有正膨脹峰，F(xiàn)e具有負(fù)膨脹峰。圖2二級相變時(shí)a和隨T的變化圖3合金成分和組織的影響圖2二級相變時(shí)a和隨T的變化圖3合金成分和組織的影響組成合金的溶質(zhì)元素對合金熱a由簡單金屬與非鐵磁三無序轉(zhuǎn)變膨脹曲線膨脹有明顯影響：置組成的單相均勻固溶體合金的線膨脹系數(shù)一般介于兩組元膨脹系數(shù)之間，且隨溶質(zhì)原子濃度的變化呈直線變化。bMn和Sn使鐵的膨脹系數(shù)增大；Cr和V使其減小。c多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相性質(zhì)和數(shù)量，介于各組成相膨脹系數(shù)之間；d鋼的熱膨脹特性取

4、決于組成相特性。不同組成相的比容因晶體結(jié)構(gòu)不同而不同，如馬氏體比容大于奧氏體。e鋼中合金元素的影響則由其形成碳化物還是鐵素體所決定，鐵素體使鋼的熱膨脹系數(shù)降低，碳化物則使其增大。三、頂桿實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)所要求的測量精度，樣品形態(tài)以及現(xiàn)有儀器的情況，將采用各不相同的測量方法，其中已被采用過的方法主要有：光杠桿法、直接觀測法、光干涉法、X光法、電容法、光柵法、機(jī)械杠桿法、熱調(diào)幅法、超聲微波法、密度測量法、電阻測量法等等。對于薄帶和絲材的測量還出現(xiàn)了拉伸膨脹法、懸重法等特殊測量方法。總之測量膨脹系數(shù)的方法和裝置各種各樣，可根據(jù)測量要求適當(dāng)選用。但目前測量金屬材料熱膨脹系數(shù)用的最多的仍然是頂桿間接法。頂桿

5、間接法的原理是將試樣裝在試樣管內(nèi)用頂桿壓住試樣，頂桿與位移傳感器或千分表接觸，在加熱爐中，通過精密溫度控制儀按規(guī)定的升溫速率加熱試樣到試驗(yàn)最終溫度，并經(jīng)位移傳感器或千分表測量加熱過程中試樣的線膨脹量情況。對公式(1)進(jìn)行修正，計(jì)算由室溫至試驗(yàn)溫度的各溫度間隔的線膨脹率：bb-LA(t)T.1式中A(t)為溫度T時(shí)儀器的校正值，mm。頂桿和載管是膨脹儀的核心，它們所用的材料必須是熱穩(wěn)定性好，還要考慮其使用的溫度范圍、氣氛、測量精度等因素。在1000以上可選用蘭寶石、剛玉、鎢和鉭等材料，但鎢和鉭只能在真空或還原氣氛下工作。所以1000以下時(shí)一般采用石英，因?yàn)槭⑴蛎浵禂?shù)小且穩(wěn)定，能在真空和任何氣氛

6、下工作。且石英器件制作簡單，成本低廉。本實(shí)驗(yàn)所用的是千分表膨脹儀，其示意圖見圖4。剛性小圓柱體試樣4裝在石英載管5中，后者被固定在支架上。試樣4的上端面上垂直豎立著一支用細(xì)石英棒作的頂桿2。石英頂桿的上端頂著千分表1的探頭。千分表被固定在支架上，在爐子7的上端與支架之間置一冷卻水套6，以免支架受熱變形。當(dāng)爐溫升高時(shí)，石英管及試樣將發(fā)生膨脹，千分表隨之偏轉(zhuǎn)，給出試樣的膨脹量、載管的膨脹量、各個(gè)溫度下頂桿與載管膨脹量的差值（可經(jīng)校正得出）、支架的膨脹量。但在實(shí)驗(yàn)中，由于支架下面加了冷卻水套，石英膨脹量非常小，樣品又都處于爐子的均溫區(qū)，故忽略載管的膨脹量、載管與頂桿的膨脹量的差值、支架的膨脹量。所以

7、，公式中的A項(xiàng)也忽略，根據(jù)公式計(jì)算各個(gè)溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)。1-千分表；管；1-千分表；管；6-冷卻水套；7-熱電偶四、實(shí)驗(yàn)條件熱膨脹儀，紫銅棒、鋁棒、鋼棒、不同成分的銅合金棒、切割機(jī)、打磨機(jī)、游標(biāo)卡尺、熱處理爐、砂紙、拋光機(jī)、origin軟件等。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、試樣加工，包括切割和研磨，精確測量試樣的長度，使其與試樣套管相等。2、安裝試樣（關(guān)鍵步驟），如圖5所示。圖5試樣安裝過程3、接好電路，把儀器調(diào)整好，如圖6所示。4、設(shè)單向的，5、送冷水，開始升溫。6、讀數(shù)：從室溫開始，每升溫5，讀一次伸長量L，直至規(guī)定溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果試樣溫度()試樣7、升至規(guī)定溫度后，不加熱，爐子由冷水冷卻。當(dāng)爐溫降至200時(shí)停水，停水前不能離開。8、實(shí)驗(yàn)做完后停電