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材料线膨胀系数测定
主讲: 伍洪标
目录








热膨胀
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一,它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。
提高材料的热稳定性
降低材料的线膨胀系数,提高材料的热稳定性,提高材料的使用安全性。
提高材料的强度
如果层状物由两种材料迭置连接而成,则温度变化时,由于两种材料膨胀值不同,若仍连接在一起,体系中要采用一中间膨胀值,从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力,恰当地利用这个特性,可以增加制品的强度。
例:夹层玻璃
目的意义
焊接或熔接
当两种不同的材料彼此焊接或熔接时,都要求二种材料具备相近的膨胀系数。
如两种不同金属的焊接,玻璃仪器的焊接加工,在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料(玻璃、陶瓷)与各种金属焊接,也要求两者有相适应的热膨胀系数。
如果选择材料的膨胀系数相差比较大,焊接时由于膨胀的速度不同,在焊接处产生应力,降低了材料的机械强度和气密性,严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。
目的意义

合理使用材料
精密仪器(小型、大型),选用膨胀系数小的材料
例:大型加工机械
水泥路面
钢铁大桥
水泥大桥
大型建筑物
……
因此,测定材料的热膨胀系数具有重要的意义。

材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀通常用热膨胀系数表示。
1. 体积膨胀系数(αV):
相当于温度升高1时物体体积的相对增大值。
由于总有内能存在,物质的每个粒子都在振动。
当物质受热时,由于温度升高,每个粒子的热能增大,导致振幅也随之增大,由(非简谐)力相互结合的两个原子之间的距离也随之增大,物质就发生膨胀。
物质的热膨胀是由非简谐(非线性)振动引起的。
设试体为一立方体,边长为L 。当温度从T1上升到T2时,体积也从V1上升到V2 ,体膨胀系数
由于膨胀系数一般比较小,可忽略高阶无穷小。取一级近似:
β= 3α
在测量技术上,体膨胀比较难测,通常应用以上关系来估算材料的体膨胀系数β,已足够精确。
2. 线膨胀系数(αL):
在实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系数。所以对于普通材料,通常所说膨胀系数是指线膨胀系数。
线膨胀系数是指温度升高1℃后,物体的相对伸长。
设试体在一个方向的长度为L 。当温度从T1上升到T2时,长度也从L1上升到L2 ,则平均线膨胀系数
无机材料的线膨胀系数一般都不大,数量级约为10-5-10-6/K。
实际上,无机非金属材料的体积膨胀系数αV 、线膨胀系数αL并不是一个常数,而是随温度稍有变化,通常随温度升高而增大。
瞬时线膨胀系数为