实验一 热膨胀实验
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，最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:
L2－L1 ΔL
α＝—————＝————
L1(T2－T1) L1 ΔT
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： V2－V1 ΔV β＝——————＝———— V1 (T2－T1) V1ΔT
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 Al（99.97％） 温度T ℃ 线膨胀系数α10-6 K -1 23.6 19.4 19.0 25.0 20.3 16.8 17.8 11.7 11.3
材料名称 Al2O3 MgO ZrO2（稳定化） ZrO SiC 石英玻璃 钠钙硅玻璃 硬质瓷 粘土耐火材 温度T ℃ 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 线膨胀系数α10-6 K -1 8.8 13.5 10 4.2 4.7 0.5 9.0 6 5.5 200～100 锻Al 4032 200～100 铸Al A132 200～100 铸Al 220 200～100 37黄铜 20～300 铝青铜 20～300 铍青铜 20～300 20＃钢 20～100 40＃钢 20～100 三． 实验方法
热膨胀系数的测定方法有许多,可分为接触法和非接触法两类.。接触法是将物体的膨胀量用一根传递杆一接触的方式传递出来，再配以不同的检测仪器测得；非接触法则不采用任何传递机构。本次实验采用接触方式的示差法检测。
示差法是基于采用热稳定性良好的材料石英玻璃（棒和管）在较高的温度下，其线膨胀系数随温度而改变的性质很小。当温度升高时，石英玻璃与待测试样都会发生膨胀，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传感器上所显示的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，测出这个系统的伸长之差值及加热前后的温度差，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。
1. 实验仪器
本次实验设备为WTD2型智能热膨胀仪。其结构见图1.1
图1.1 热膨胀仪结构图
1—测温热电偶 2—膨胀仪电炉 3—电热丝 4—电流表 5—控制器 6—电炉铁壳 7—电炉芯 8—待测试样 9—石英玻璃棒 10—石英玻璃管 11—带水冷套遮热板
12—支架 13—位移传感器
① 仪器由主体（电炉及保温材料、机座、样品部件、位移测量部件、
冷却部件），精密温度控制器，位移传感器及控制器，保护气氛系统及计算机系统所组成。
② 电炉采用硅碳管作为发热元件，莫莱石纤维为保温材料。
③ 样品部件由外套管、位移传递杆组成。1000℃以下测试用石英管、
杆；1000℃以上用刚玉管、杆。样品尺寸为Φ6～8×40mm。
④ 采用电感调频式位移传感器，量程为±2.5mm，配套有二次仪表位
移控制仪，分辨率1μ，精度0.10％。
⑤ 温度控制器具有手动和自动功能，输出的电压值可以手动调节，因
此升温速率可手动设定或由程序曲线设定。
⑥ 气氛控制器由气源、稳压阀流量计组成，可同时采用双路供气。气
氛一般用氧化气氛（O2）或保护气氛（N2）。
⑦ 计算机系统分别与温度控制器和位移传感器测控仪连接，其配套的
数据采集与处理软件可以自动的采集温度、位移量及对应时间，计算和处理数据，绘制伸长／温度曲线和数据报表功能。
2. 实验步骤
① 按测试要求选择中、高温系统样品部件，中温(1000℃以下)用石英
管、杆；高温（1000℃以上）用刚玉管、杆。
② 装样方法：手摇仪器右侧手摇把使样品部件移动至最左端，暴露样
品槽，轻拿样品放入槽中，用小起子轻拨样品杆使之与样品接触良好，最后手摇摇把使样品部件右移进入电炉中。 ③ 接通冷却水源，观察出水口有水流出。
④ 检查温控器在手动方式，手动调压钮在最坐位置。然后接通温控器
和位移控制器电源，预热5分钟。
⑤ 打开计算机进入“热膨胀仪数据采集”软件，按提示在温控器自整
定仪表上设定温度程序，位移传感器清零，按下通讯健，温控器设置为自动方式开始实验。
⑥ 测试完成后待温度降至室温后取出试样，切断仪器电源水源(炉温
200℃以下切断水源)。
⑦ 在计算机上处理实验数据，并可打印数据曲线输出。
⑧ 需要使用气氛时，须先卸下左侧板装上气氛管后再装上左侧板，然
后按上述步骤安装样品，接通气源，准备开始实验（本仪器气氛系统只在使用刚玉样品部件时用）。
特别注意：
样品部件和气氛保护管是贵重、易碎部件，使用中应格外小心！
四． 实验报告
1. 简要叙述测定热膨实验原理 2. 简要叙述测定热膨胀系数的意义
3. 简要叙述热膨胀仪的结构和测试工作过程 4. 分析测试曲线和数据