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1、金属材料热膨胀系数的测定本讲稿第一页，共十八页一、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。本讲稿第二页，共十八页二、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膨胀系数，其意义是温度升高1时单位长度上所增加的长度，单位为cm cm-1cm-1-1（即-1）。假设物体原来的长度为L0，温度升高后长度的增加量为L，则 L/L0=1T 23-1 式中 1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，物体时，物体的相对
2、伸长。的相对伸长。本讲稿第三页，共十八页二、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 =(V1-V2)/V1(T1-T2)23-2 式中 平均体膨胀系数。本讲稿第四页，共十八页二、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。因此，在讨论材料的热膨从测试技术来说，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胀系数时，常常采用线膨胀系数 =(L1-L2)/L1(T1-T2)=(L1-L2)/L1(T1-T2)23-323-3
3、 式中式中 材料的平均线膨胀系数；材料的平均线膨胀系数；L1 L1在温度为在温度为T1T1时试样的长度；时试样的长度；L2 L2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+32 =3+32 T2+3T2+3 T3 T3 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 3 3 23-423-4本讲稿第五页，共十八页二、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，所以上述膨胀系膨胀系数实际上
4、并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系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数都是具有在一定温度范围数都是具有在一定温度范围数都是具有在一定温度范围TT内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温内的平均值的概念，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度范围，一些典型钢铁材料的膨胀系数见表度范围，一些典型钢铁材料的膨胀系数见表度范围，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
5、石英玻璃（棒和管）在较高温度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，石英玻璃与其下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻璃与其下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小，当温度升高时，石英玻璃与其下，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中的待测试样与石英玻璃棒都会发生膨胀，但是待测试样
6、的膨胀比石英玻璃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英玻璃棒发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、石英玻璃棒和待测试样三者的同时伸长和生移动，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
7、同时伸长和生移动，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部分抵消后在千分表上所显示的部分抵消后在千分表上所显示的部分抵消后在千分表上所显示的LL值，它包括试样与石英玻璃管和石英玻璃值，它包括试样与石英玻璃管和石英玻璃值，它包括试样与石英玻璃管和石英玻璃值，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热前后温度的差数，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，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，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，
8、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。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。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。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。本讲稿第六页，共十八页二、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 度度度度 范范范范 围围围围 2020100 20100 20200 20200 20300 20300 20400 20400 20600 20600 20
9、700 700 碳碳碳碳 钢钢钢钢 10.6 10.612.2 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 10.2 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.
10、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 8.7 8.711.1 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本讲稿第七页，共十八页二、实验原理概述二、实验原理概述图图23-123-1是石英膨胀仪的工作原理示意图，是石英膨胀仪的工作原理示意图，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=L1L2 L1=L+L2根据定义，待测
11、试的线膨胀系数为：=(L+L2)/(LT)=L/(LT)+L2/(LT)=L/(LT)+L2/(LT)其中：其中：L2/(LT)=L2/(LT)=本讲稿第八页，共十八页二、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本讲稿第九页，共十八页二、实验原理概述二、实验原理概述 所以：所以：=石石+L/(LT)23-5+L/(LT)23-5 若温度差为若温度差为T2-T1T2-T1，则待测试样的平均线膨胀系数，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(T2-T1)23-6+L/L(T2-T1)23-6 式中式中 石石石英玻璃
12、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：5.710-75.710-7-1(0-1(0300300)，5.910-75.910-7-1(0-1(0400400)，5.810-75.810-7-1(0-1(010001000)，5.9710-75.9710-7-1(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）；LL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m
13、mmm记录；记录；L L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，可以确定试样的线这样，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。膨胀系数。本讲稿第十页，共十八页三、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、电位差计、电流石英膨胀仪（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2kV2kV A A调压调压器等）。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），秒表器等）。待测试样（金属或合金材料）。小砂轮片
14、（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（计时用）。实验装置如图23-223-2所示所示。图23-2 示差法测定材料膨胀系数的装置本讲稿第十一页，共十八页三、实验设备及材料三、实验设备及材料1测温热电偶；2膨胀仪电炉；膨胀仪电炉；3电热丝；4电流表；电流表；5调压器；调压器；6 6电炉铁壳；7铜柱电炉芯；8待测试棒；9石英玻璃棒；10石英玻璃管；11遮热板；12铁制支撑架；1313千分表；14水瓶；水瓶；15水银温度计；16电位差计电位差计本讲稿第十二页，共十八页四、实验步骤与方法四、实验步骤与方法1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
15、陷材料作为测定膨胀系数的试样。(2)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56mm，长为(600.1)mm；UBD万能膨胀仪要求试样直径为3mm、长为(500.1)mm；Weiss立式膨胀仪要求试样直径为12mm、长为(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。本讲稿第十三页，共十八页四、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调整成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
16、除摩擦与偏斜平直相接，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。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传递给试样与石英玻璃棒要紧紧接触使试样的膨胀增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动千分表，在加热测定前要使千分表顶杆紧至指针转动2 23 3圈，确圈，确定一个初读数。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，并使整个测为宜，并使整个测试过程均匀升温。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。测试过程热电偶的热端尽量靠近
17、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中不要触动仪器，也不要振动实验台桌 本讲稿第十四页，共十八页四、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)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，使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
18、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顶压在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。石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。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，使试样位于电炉中心位置（即将卧式电炉沿滑轨移
19、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）。热电偶端位置）。热电偶端位置）。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的速度升温，的速度升温，的速度升温，的速度升温，每隔每隔每隔每隔
20、2min2min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。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。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。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。本讲稿第十五页，共十八页五、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23-2中。并计算被测材料的平均膨胀系数。本讲稿第十六页，共十八页五、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本讲稿第十七页，共十八页请专家批评指正致以诚挚的感谢!本讲稿第十八页，共十八页