热膨胀实验目的及实验原理

一． 实验目的

1. 了解材料线膨胀系数测定的意义、方法。

2. 了解WTD2智能型热膨胀仪的原理、结构和操作步骤。

3. 学会初步掌握测试数据和曲线的分析方法。

二． 实验原理

现代化大型工程，如高层建筑、铁路、桥梁、航空航天器件等，都是由多

种复杂的材料构成，要经过酷暑寒冬甚至太空中的急剧温度变化，因此必须确切地掌握有关材料的热膨胀系数以及其随温度变化的规律。

利用热膨胀方法对材料进行测定和研究称为“膨胀分析”。它不仅用于膨胀系数的测定，也是研究动态相变过程的有效手段，例如钢中过冷奥氏体的等温转变过程（TTT曲线）和连续冷却转变过程（CCT曲线）的测定，zui常用的方法就是膨胀分析。在金属材料研究中，材料的结构转变、再结晶、时效固溶和沉淀析出，往往都伴随着体积的变化，因此可以用膨胀分析法来研究。又如粉末冶金中材料烧结致密度的评定，非晶体材料的软化温度的测定等，也可以用这一方法。

1. 线膨胀系数

   线膨胀系数是指与单位温度变化对应的试样单位长度的线膨胀量,当温度从T1变到T2时,试样的长度相应地从L1变到L2, 则材料在该温度区间的平均线膨胀系数α为:

线膨胀系数α单位为: mm·mm-1·℃-1

2. 体膨胀系数

   体膨胀系数是指与单位温度变化对应的试样单位体积的体积膨胀量，当温度从T1变到T2时,试样的体积相应地从V1变到V2， 则材料在该温度区间的平均体膨胀系数β为：

由于体膨胀系数测定较为复杂,所以对于热膨胀各向同性的材料，平均体膨胀系数β与平均线膨胀系数α之间有如下的关系:

   β＝3α〔1＋α（T2－T1）〕

因为α（T2－T1）≤1，可以进一步简化为

:

  β≈3α

对于热膨胀各向异性的材料，平均体膨胀系数β可近似用三个相互垂直的晶轴方向的线膨胀系数α1、α2、α3的和来表示之间，有如下的关系:

   β≈α1+α2+α3

由于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再一定温度范围ΔT内的平均值，因此在使用时要注意它适用的温度范围。表1.1列出了一些常用材料的膨胀系数。

常用材料的膨胀系数                 表1 .1

材料名称	温度T ℃	线膨胀系数α10-6 K -1	材料名称	温度T ℃	线膨胀系数α10-6 K -1
Al（99.97％）	200～100	23.6	Al2O3	0～1000	8.8
锻Al  4032	200～100	19.4	MgO	0～1000	13.5
铸Al  A132	200～100	19.0	ZrO2（稳定化）	0～1000	10
铸Al  220	200～100	25.0	ZrO	0～1000	4.2
37黄铜	20～300	20.3	SiC	0～1000	4.7
铝青铜	20～300	16.8	石英玻璃	0～1000	0.5
铍青铜	20～300	17.8	钠钙硅玻璃	0～1000	9.0
20＃钢	20～100	11.7	硬质瓷	0～1000	6
40＃钢	20～100	11.3	粘土耐火材	0～1000	5.5