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. 學會初步掌握測試數據和曲線的分析方法。

二． 實驗原理

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行測定和研究稱為“膨脹分析”。它不僅用于膨脹系數的測定，也是研究動態相變過程的有效手段，例如鋼中過冷奧氏體的等溫轉變過程（TTT曲線）和連續冷卻轉變過程（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，材料的結構轉變、再結晶、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

   線膨脹系數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, 則材料在該溫度區間的平均線膨脹系數α為:

線膨脹系數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,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與平均線膨脹系數α之間有如下的關系:

   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β可近似用三個相互垂直的晶軸方向的線膨脹系數α1、α2、α3的和來表示之間，有如下的關系:

   β≈α1+α2+α3

由于膨脹系數實際上并不是一個恒定的值，而是隨溫度變化的。所以上述膨脹系數都是再一定溫度范圍ΔT內的平均值，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。

常用材料的膨脹系數                 表1 .1