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1、第二节第二节 金属材料物理性能实验金属材料物理性能实验实验实验3 金属材料热膨胀系数的测定金属材料热膨胀系数的测定 中南大学材料科学与工程学院伍 汰 沙一、实验目的一、实验目的1了解测定材料热膨胀曲线对生产了解测定材料热膨胀曲线对生产的指导意义。的指导意义。2掌握示差法测定热膨胀系数的原掌握示差法测定热膨胀系数的原理和方法。理和方法。二、实验原理概述二、实验原理概述对于一般的金属材料，通常所说膨胀系数是指线对于一般的金属材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数，其意义是温度升高膨胀系数，其意义是温度升高1 1时单位长度上所时单位长度上所增加的长度，单位为增加的长度，单位为cmcm1cmcm111（
2、即（即11）。）。假设物体原来的长度为假设物体原来的长度为L0L0，温度升高后长度的增，温度升高后长度的增加量为加量为LL，则，则 L/L0=1T L/L0=1T 231231 式中式中 11线膨胀系数，也就是温度每升高线膨胀系数，也就是温度每升高1 1时，时，物体的相对伸长。物体的相对伸长。二、实验原理概述二、实验原理概述当物体的温度从T1上升到T2时，其体积也从V1变化为V2，则该物体在T1T2的温度范围内，温度每上升一个单位，单位体积物体的平均增长量为 =(V1V2)/V1(T1T2)232 式中 平均体膨胀系数。二、实验原理概述二、实验原理概述 从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因
3、此，在讨论从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因此，在讨论材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数 =(L1L2)/L1(T1T2)=(L1L2)/L1(T1T2)233233 式中式中 材料的平均线膨胀系数；材料的平均线膨胀系数；L1L1在温度为在温度为T1T1时试样的长度；时试样的长度；L2L2在温度为在温度为T2T2时试样的长度。时试样的长度。与与 的关系是：的关系是：=3+32T2+3T3 =3+32T2+3T3 上式中的第二项和第三项非常小，在实际中一般略去不计，上式中的第二项和第三项非常小，在实际中一般略去不计，而取而取 3 3 234234二
4、、实验原理概述二、实验原理概述 膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数都是具有在一定温度范围膨胀系数都是具有在一定温度范围膨胀系数都是具有在一定温度范围膨胀系数都是具有在一定温度范围TT内的平均值的概念，因此使用时要内的平均值的概念，因此使用时要内的平均值的概念，因此使用时要内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温度范围，一些典型钢铁材料的膨胀系数见表注意它适用的温度范围，一些典型钢
5、铁材料的膨胀系数见表注意它适用的温度范围，一些典型钢铁材料的膨胀系数见表注意它适用的温度范围，一些典型钢铁材料的膨胀系数见表23-123-1。示差法是基于采用热稳定性较好的材料如石英玻璃（棒和管）在较高示差法是基于采用热稳定性较好的材料如石英玻璃（棒和管）在较高示差法是基于采用热稳定性较好的材料如石英玻璃（棒和管）在较高示差法是基于采用热稳定性较好的材料如石英玻璃（棒和管）在较高温度下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻温度下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻温度下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻温度下，其线膨胀系数随温度
6、而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻璃与其中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样的膨胀比璃与其中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样的膨胀比璃与其中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样的膨胀比璃与其中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样的膨胀比石英玻璃管上同样长度部分的膨胀要大。因而使得与待测试样相接触的石石英玻璃管上同样长度部分的膨胀要大。因而使得与待测试样相接触的石石英玻璃管上同样长度部分的膨胀要大。因而使得与待测试样相接触的石石英玻璃管上同样长度部分的膨胀要大。因而使得与待测试样相接触的石英玻璃棒发生移动，这个移动是石英玻璃管、石英玻璃棒
7、和待测试样三者英玻璃棒发生移动，这个移动是石英玻璃管、石英玻璃棒和待测试样三者英玻璃棒发生移动，这个移动是石英玻璃管、石英玻璃棒和待测试样三者英玻璃棒发生移动，这个移动是石英玻璃管、石英玻璃棒和待测试样三者的同时伸长和部分抵消后在千分表上所显示的的同时伸长和部分抵消后在千分表上所显示的的同时伸长和部分抵消后在千分表上所显示的的同时伸长和部分抵消后在千分表上所显示的LL值，它包括试样与石英值，它包括试样与石英值，它包括试样与石英值，它包括试样与石英玻璃管和石英玻璃棒的热膨胀之差值，测定出这个系统的伸长之差值及加玻璃管和石英玻璃棒的热膨胀之差值，测定出这个系统的伸长之差值及加玻璃管和石英玻璃棒的热
8、膨胀之差值，测定出这个系统的伸长之差值及加玻璃管和石英玻璃棒的热膨胀之差值，测定出这个系统的伸长之差值及加热前后温度的差数，并根据已知石英玻璃的膨胀系数，便可算出待测试样热前后温度的差数，并根据已知石英玻璃的膨胀系数，便可算出待测试样热前后温度的差数，并根据已知石英玻璃的膨胀系数，便可算出待测试样热前后温度的差数，并根据已知石英玻璃的膨胀系数，便可算出待测试样的热膨胀系数。的热膨胀系数。的热膨胀系数。的热膨胀系数。二、实验原理概述二、实验原理概述表表表表23-1 23-1 常见钢铁材料线膨胀系数常见钢铁材料线膨胀系数常见钢铁材料线膨胀系数常见钢铁材料线膨胀系数 材材材材 料料料料 温温温温 度
9、度度度 范范范范 围围围围 2020100 20100 20200 20200 20300 20300 20400 20400 20600 20600 20700 700 碳碳碳碳 钢钢钢钢 10.610.612.2 11.312.2 11.313 12.013 12.013.5 12.913.5 12.913.9 13.513.9 13.514.3 14.714.3 14.71515 高高高高 速速速速 钢钢钢钢 -10.4 -10.412.6 -12.6 -铬铬铬铬 钢钢钢钢 11.2 11.8 12.4 13 13.6 -11.2 11.8 12.4 13 13.6 -3Cr13 10.
10、2 11.1 11.6 11.9 12.3 12.8 3Cr13 10.2 11.1 11.6 11.9 12.3 12.8 1Cr18Ni9Ti 16.6 17 17.2 17.5 17.9 18.6 1Cr18Ni9Ti 16.6 17 17.2 17.5 17.9 18.6 铸铸铸铸 铁铁铁铁 8.78.711.1 8.511.1 8.511.6 10.111.6 10.112.2 11.512.2 11.512.7 11.512.7 11.512.7 12.912.7 12.913.213.2二、实验原理概述二、实验原理概述图图231231是石英膨胀仪的工作原理示意图，是石英膨胀仪的工
11、作原理示意图，由图中可见，膨胀仪上千分表的读数为由图中可见，膨胀仪上千分表的读数为 L=L1L=L1L2 L2 L1=L+L2L1=L+L2根据定义，待测试的线膨胀系数为：根据定义，待测试的线膨胀系数为：=(L+L2)/(LT)=(L+L2)/(LT)=L/(LT)+L2/(LT)=L/(LT)+L2/(LT)其中：其中：L2/(LT)=L2/(LT)=二、实验原理概述二、实验原理概述图图23-1 石英膨胀仪的工作原理分析图石英膨胀仪的工作原理分析图二、实验原理概述二、实验原理概述 所以：所以：=石石+L/(LT)235+L/(LT)235 若温度差为若温度差为T2T1T2T1，则待测试样的平
12、均线膨胀系数，则待测试样的平均线膨胀系数 可按下式计算可按下式计算 =石石+L/L(T2T1)236+L/L(T2T1)236 式中式中 石石石英玻璃的平均线膨胀系数，按下列温度范围取值：石英玻璃的平均线膨胀系数，按下列温度范围取值：5.71075.71071(01(0300300)，5.91075.91071(01(0400400)，5.81075.810711(0(010001000)，5.971075.971071(2001(200700700)。T1T1开始测定时的温度；开始测定时的温度；T2T2一般定为一般定为300300（若需要，也可定为其他温度）；（若需要，也可定为其他温度）；L
13、L试样的伸长值，即对应于温度试样的伸长值，即对应于温度T2T2与与T1T1时千分表读数之差值，以时千分表读数之差值，以mmmm记录；记录；LL试样的原始长度，试样的原始长度，mmmm。这样，将试样数据在直角坐标系上作出热膨胀曲线，可以确定试样的这样，将试样数据在直角坐标系上作出热膨胀曲线，可以确定试样的线膨胀系数。线膨胀系数。三、实验设备及材料三、实验设备及材料 石英膨胀仪（包括管式电炉、特制石英玻璃管、石英玻璃棒、千分表、热电偶、石英膨胀仪（包括管式电炉、特制石英玻璃管、石英玻璃棒、千分表、热电偶、电位差计、电流电位差计、电流2kVA2kVA调压器等）。待测试样（金属或合金材料）。小砂轮片（
14、磨平试调压器等）。待测试样（金属或合金材料）。小砂轮片（磨平试样端面用），卡尺（量试样长度用），秒表（计时用）。实验装置如图样端面用），卡尺（量试样长度用），秒表（计时用）。实验装置如图232232所示所示。图232 示差法测定材料膨胀系数的装置三、实验设备及材料三、实验设备及材料11测温热电偶；测温热电偶；22膨胀仪电炉；膨胀仪电炉；33电热丝；电热丝；44电流表；电流表；55调压器；调压器；66电炉铁壳；电炉铁壳；77铜柱电炉芯；铜柱电炉芯；88待测试棒；待测试棒；99石英玻璃棒；石英玻璃棒；1010石英玻璃管；石英玻璃管；1111遮热板；遮热板；1212铁制支撑架；铁制支撑架；1313千
15、分表；千分表；1414水瓶；水瓶；1515水银温度计；水银温度计；1616电位差计电位差计四、实验步骤与方法四、实验步骤与方法1 1试样的准备试样的准备(1)(1)取无缺陷材料作为测定膨胀系数的试样。取无缺陷材料作为测定膨胀系数的试样。(2)(2)试样尺寸依不同仪器的要求而定。一般石英试样尺寸依不同仪器的要求而定。一般石英膨胀仪要求试样直径为膨胀仪要求试样直径为5 56mm6mm，长为，长为(600.1)mm(600.1)mm；UBDUBD万能膨胀仪要求试样直径为万能膨胀仪要求试样直径为3mm3mm、长为、长为(500.1)mm(500.1)mm；WeissWeiss立式膨胀仪要求立式膨胀仪要
16、求试样直径为试样直径为12mm12mm、长为、长为(650.1)mm(650.1)mm。(3)(3)把试棒两端磨平，用千分卡尺精确量出长度。把试棒两端磨平，用千分卡尺精确量出长度。四、实验步骤与方法四、实验步骤与方法2 2测试操作要点测试操作要点(1)(1)被测试样和石英玻璃棒、千分表顶杆三者应先在炉外被测试样和石英玻璃棒、千分表顶杆三者应先在炉外调整成平直相接，并保持在石英玻璃管的中心轴区，以消调整成平直相接，并保持在石英玻璃管的中心轴区，以消除摩擦与偏斜影响造成误差。除摩擦与偏斜影响造成误差。(2)(2)试样与石英玻璃棒要紧紧接触使试样的膨胀增量及时试样与石英玻璃棒要紧紧接触使试样的膨胀增
17、量及时传递给千分表，在加热测定前要使千分表顶杆紧至指针转传递给千分表，在加热测定前要使千分表顶杆紧至指针转动动2 23 3圈，确定一个初读数。圈，确定一个初读数。(3)(3)升温速度不宜过快，以控制升温速度不宜过快，以控制(2(23)3)/min/min为宜，并使为宜，并使整个测试过程均匀升温。整个测试过程均匀升温。(4)(4)热电偶的热端尽量靠近试样中部，但不应与试样接触。热电偶的热端尽量靠近试样中部，但不应与试样接触。测试过程中不要触动仪器，也不要振动实验台桌测试过程中不要触动仪器，也不要振动实验台桌 四、实验步骤与方法四、实验步骤与方法 3 3测试步骤测试步骤测试步骤测试步骤(1)(1)
18、接好并检查电路。接好并检查电路。接好并检查电路。接好并检查电路。(2)(2)把石英玻璃管架在铁架上。把石英玻璃管架在铁架上。把石英玻璃管架在铁架上。把石英玻璃管架在铁架上。(3)(3)先把准备好的待测试样小心地装入石英玻璃管内，然后装进石英玻璃棒，先把准备好的待测试样小心地装入石英玻璃管内，然后装进石英玻璃棒，先把准备好的待测试样小心地装入石英玻璃管内，然后装进石英玻璃棒，先把准备好的待测试样小心地装入石英玻璃管内，然后装进石英玻璃棒，使石英玻璃棒紧贴试样，在支架的另一端装上千分表，使千分表的顶杆轻轻使石英玻璃棒紧贴试样，在支架的另一端装上千分表，使千分表的顶杆轻轻使石英玻璃棒紧贴试样，在支架
19、的另一端装上千分表，使千分表的顶杆轻轻使石英玻璃棒紧贴试样，在支架的另一端装上千分表，使千分表的顶杆轻轻顶压在石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。顶压在石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。顶压在石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。顶压在石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。(4)(4)将卧式电炉沿滑轨移动，将管状电炉的炉芯套上石英玻璃管，使试样位将卧式电炉沿滑轨移动，将管状电炉的炉芯套上石英玻璃管，使试样位将卧式电炉沿滑轨移动，将管状电炉的炉芯套上石英玻璃管，使试样位将卧式电炉沿滑轨移动，将管状电炉的炉芯套上石英玻璃管，使试样位于电炉中心位置（即热电偶端位置）。于电炉中心位置（即热电偶端位置）。
20、于电炉中心位置（即热电偶端位置）。于电炉中心位置（即热电偶端位置）。(5)(5)合上电闸，接通电源，等电压稳定后，调节自偶调压器，以每分钟合上电闸，接通电源，等电压稳定后，调节自偶调压器，以每分钟合上电闸，接通电源，等电压稳定后，调节自偶调压器，以每分钟合上电闸，接通电源，等电压稳定后，调节自偶调压器，以每分钟3 3的的的的速度升温，每隔速度升温，每隔速度升温，每隔速度升温，每隔2min2min记一次千分表的读数和电位差计的读数，直到千分表上记一次千分表的读数和电位差计的读数，直到千分表上记一次千分表的读数和电位差计的读数，直到千分表上记一次千分表的读数和电位差计的读数，直到千分表上的读数向后退为止。的读数向后退为止。的读数向后退为止。的读数向后退为止。五、实验报告要求五、实验报告要求1根据原始数据绘出被测材料的线膨胀曲线。2将实验所测数据记入表232中。并计算被测材料的平均膨胀系数。五、实验报告要求五、实验报告要求表表23-2 实验结果记录表实验结果记录表 试样编号试样编号 试样长度试样长度 试样温度试样温度 千分表读数千分表读数 试样伸长值试样伸长值 膨胀系数膨胀系数 L/mm T/L/mm T/L/mm /L/mm /1 1 2 2 3 3 4 4请专家批评指正