熱膨脹實驗目的及實驗原理

一． 實驗目的

1. 了解材料線膨脹系數(shù)測定的意義、方法。

2. 了解WTD2智能型熱膨脹儀的原理、結(jié)構(gòu)和操作步驟。

3. 學會初步掌握測試數(shù)據(jù)和曲線的分析方法。

二． 實驗原理

現(xiàn)代化大型工程，如高層建筑、鐵路、橋梁、航空航天器件等，都是由多

種復雜的材料構(gòu)成，要經(jīng)過酷暑寒冬甚至太空中的急劇溫度變化，因此必須確切地掌握有關(guān)材料的熱膨脹系數(shù)以及其隨溫度變化的規(guī)律。

利用熱膨脹方法對材料進行測定和研究稱為“膨脹分析”。它不僅用于膨脹系數(shù)的測定，也是研究動態(tài)相變過程的有效手段，例如鋼中過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過程（TTT曲線）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程（CCT曲線）的測定，zui常用的方法就是膨脹分析。在金屬材料研究中，材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、再結(jié)晶、時效固溶和沉淀析出，往往都伴隨著體積的變化，因此可以用膨脹分析法來研究。又如粉末冶金中材料燒結(jié)致密度的評定，非晶體材料的軟化溫度的測定等，也可以用這一方法。

1. 線膨脹系數(shù)

   線膨脹系數(shù)是指與單位溫度變化對應的試樣單位長度的線膨脹量,當溫度從T1變到T2時,試樣的長度相應地從L1變到L2, 則材料在該溫度區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)α為:

線膨脹系數(shù)α單位為: mm·mm-1·℃-1

2. 體膨脹系數(shù)

   體膨脹系數(shù)是指與單位溫度變化對應的試樣單位體積的體積膨脹量，當溫度從T1變到T2時,試樣的體積相應地從V1變到V2， 則材料在該溫度區(qū)間的平均體膨脹系數(shù)β為：

由于體膨脹系數(shù)測定較為復雜,所以對于熱膨脹各向同性的材料，平均體膨脹系數(shù)β與平均線膨脹系數(shù)α之間有如下的關(guān)系:

   β＝3α〔1＋α（T2－T1）〕

因為α（T2－T1）≤1，可以進一步簡化為

:

  β≈3α

對于熱膨脹各向異性的材料，平均體膨脹系數(shù)β可近似用三個相互垂直的晶軸方向的線膨脹系數(shù)α1、α2、α3的和來表示之間，有如下的關(guān)系:

   β≈α1+α2+α3

由于膨脹系數(shù)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(shù)都是再一定溫度范圍ΔT內(nèi)的平均值，因此在使用時要注意它適用的溫度范圍。表1.1列出了一些常用材料的膨脹系數(shù)。

常用材料的膨脹系數(shù)                 表1 .1