金属材料热膨胀系数的测定

第二节金属材料物理性能实验实验3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1．了解测定材料热膨胀曲线对生产的指导意义。2．掌握示差法测定热膨胀系数的原理和方法。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-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ΔL，则ΔL/L0=α1ΔT23-1式中α1——线膨胀系数，也就是温度每升高1℃时，物体的相对伸长。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T1～T2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β=(V1-V2)/V1(T1-T2)23-2式中β——平均体膨胀系数。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，在讨论材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数α=(L1-L2)/L1(T1-T2)23-3式中α——材料的平均线膨胀系数；L1——在温度为T1时试样的长度；L2——在温度为T2时试样的长度。α与β的关系是：β=3α+3α2•ΔT2+α3•ΔT3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β≈3α23-4二、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，所以上述膨胀系数都是具有在一定温度范围ΔT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23-1。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ΔL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，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。二、实验原理概述表23-1常见钢铁材料线膨胀系数材料温度范围℃20～10020～20020～30020～40020～60020～700碳钢10.6～12.211.3～1312.0～13.512.9～13.913.5～14.314.7～15高速钢——-----10.4～12.6-----------------铬钢11.211.812.41313.6------3Cr1310.211.111.611.912.312.81Cr18Ni9Ti16.61717.217.517.918.6铸铁8.7～11.18.5～11.610.1～12.211.5～12.711.5～12.712.9～13.2二、实验原理概述•图23-1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•ΔL=ΔL1－ΔL2•ΔL1=ΔL+ΔL2•根据定义，待测试的线膨胀系数为：•α=(ΔL+ΔL2)/(LΔT)•=ΔL/(LΔT)+ΔL2/(LΔT)•其中：ΔL2/(LΔT)=α二、实验原理概述图23-1石英膨胀仪的工作原理分析图二、实验原理概述•所以：•α=α石+ΔL/(LΔT)23-5•若温度差为T2-T1，则待测试样的平均线膨胀系数α可按下式计算•α=α石+ΔL/L(T2-T1)23-6•式中α石——石英玻璃的平均线膨胀系数，按下列温度范围取值：5.7×10-7℃-1(0～300℃)，5.9×10-7℃-1(0～400℃)，5.8×10-7℃-1(0～1000℃)，5.97×10-7℃-1(200～700℃)。•T1——开始测定时的温度；•T2——一般定为300℃（若需要，也可定为其他温度）；•ΔL——试样的伸长值，即对应于温度T2与T1时千分表读数之差值，以mm记录；•L——试样的原始长度，mm。•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。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2kV•A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23-2所示。图23-2示差法测定材料膨胀系数的装置三、实验设备及材料•1—测温热电偶；2—膨胀仪电炉；•3—电热丝；4—电流表；•5—调压器；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；•13—千分表；14—水瓶；•15—水银温度计；16—电位差计四、实验步骤与方法•1．试样的准备•(1)取无缺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5～6mm，长为(60±0.1)mm；UBD万能膨胀仪要求试样直径为3mm、长为(50±0.1)mm；Weiss立式膨胀仪要求试样直径为12mm、长为(65±0.1)mm。•(3)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•2．测试操作要点•(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。•(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千分表，在加热测定前要使千分表顶杆紧至指针转动2～3圈，确定一个初读数。•(3)升温速度不宜过快，以控制(2～3)℃/min为宜，并使整个测试过程均匀升温。•(4)热电偶的热端尽量靠近试样中部，但不应与试样接触。测试过程中不要触动仪器，也不要振动实验台桌四、实验步骤与方法•3．测试步骤•(1)接好并检查电路。•(2)把石英玻璃管架在铁架上。•(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。•(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（即热电偶端位置）。•(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3℃的速度升温，每隔2min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。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。五、实验报告要求•表23-2实验结果记录表试样编号试样长度试样温度千分表读数试样伸长值膨胀系数L/mmT/℃ΔL/mmα/℃1234请专家批评指正