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      熱膨脹實(shí)驗目的及實(shí)驗原理
      更新時(shí)間:2013-01-28   點(diǎn)擊次數:5755次

      一. 實(shí)驗目的

      1. 了解材料線(xiàn)膨脹系數測定的意義、方法。

      2. 了解WTD2智能型熱膨脹儀的原理、結構和操作步驟。

      3. 學(xué)會(huì )初步掌握測試數據和曲線(xiàn)的分析方法。

      二. 實(shí)驗原理

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

      種復雜的材料構成,要經(jīng)過(guò)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)材料的熱膨脹系數以及其隨溫度變化的規律。

      利用熱膨脹方法對材料進(jìn)行測定和研究稱(chēng)為“膨脹分析”。它不僅用于膨脹系數的測定,也是研究動(dòng)態(tài)相變過(guò)程的有效手段,例如鋼中過(guò)冷奧氏體的等溫轉變過(guò)程(TTT曲線(xiàn))和連續冷卻轉變過(guò)程(CCT曲線(xiàn))的測定,zui常用的方法就是膨脹分析。在金屬材料研究中,材料的結構轉變、再結晶、時(shí)效固溶和沉淀析出,往往都伴隨著(zhù)體積的變化,因此可以用膨脹分析法來(lái)研究。又如粉末冶金中材料燒結致密度的評定,非晶體材料的軟化溫度的測定等,也可以用這一方法。

      1. 線(xiàn)膨脹系數

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

        

      線(xiàn)膨脹系數α單位為mm·mm-1·-1

      2. 體膨脹系數

         體膨脹系數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(shí),試樣的體積相應地從V1變到V2, 則材料在該溫度區間的平均體膨脹系數β為:

         

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

         β=3α1+α(T2T1

      因為α(T2T1)1,可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

      :

        β≈3α

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

         β≈α1+α2+α3

      由于膨脹系數實(shí)際上并不是一個(gè)恒定的值,而是隨溫度變化的。所以上述膨脹系數都是再一定溫度范圍ΔT內的平均值,因此在使用時(shí)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。

      常用材料的膨脹系數                 表1 .1

      材料名稱(chēng)

      溫度T

      線(xiàn)膨脹系數α10-6 K -1

      材料名稱(chēng)

      溫度T

      線(xiàn)膨脹系數α10-6 K -1

      Al99.97

      200100

      23.6

      Al2O3

      01000

      8.8

      Al  4032

      200100

      19.4

      MgO

      01000

      13.5

      Al  A132

      200100

      19.0

      ZrO2穩定化

      01000

      10

      Al  220

      200100

      25.0

      ZrO

      01000

      4.2

      37黃銅

      20300

      20.3

      SiC

      01000

      4.7

      鋁青銅

      20300

      16.8

      石英玻璃

      01000

      0.5

      鈹青銅

      20300

      17.8

      鈉鈣硅玻璃

      01000

      9.0

      20#鋼

      20100

      11.7

      硬質(zhì)瓷

      01000

      6

      40#鋼

      20100

      11.3

      粘土耐火材

      01000

      5.5

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