摘要：簡述了金屬材料熱膨脹系數(shù)與材料成分和組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，材料熱膨脹系數(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要的意義。材料熱膨脹系數(shù)的物理本質(zhì)是同原子間的作用力密切相關(guān)的，由于材料熱膨脹系數(shù)的精確獲得在科研及生產(chǎn)中具有重要的理論研究與應(yīng)用價(jià)值，故文章較詳盡地分析了材料熱膨脹系數(shù)的主要影響因素并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：熱膨脹；線膨脹系數(shù)；材料熱膨脹系數(shù)；平均線膨脹系數(shù)

引言：

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展，機(jī)械、航空等領(lǐng)域中對零件的精度要求越來越高，精密機(jī)械零件的受溫變形一般是用熱膨脹性能來解釋和補(bǔ)償?shù)模苤圃熘械某芗庸Σ牧系臒崤蛎浶阅苡兄叩囊螅詫崤蛎浵禂?shù)的準(zhǔn)確測量將直接影響到材料補(bǔ)償?shù)木取?/p>

線膨脹系數(shù)測試的定義：

熱膨脹系數(shù)的定義為：當(dāng)溫度由t1變到t2，長度相應(yīng)地由L1變到L2時(shí)，材料在該溫區(qū)的平均線膨脹系數(shù)為α=L2-L1/L1(t2-t1)=ΔL/L1ΔT，同理，平均體膨脹系數(shù)β=ΔV/V1ΔT。在一般情況下，表征材料的熱膨脹特性采用平均線膨脹系數(shù)來表示。

線膨脹系數(shù)測試的意義：

在大多數(shù)的工程中都免不了要組合使用不同的材料，這就必須要根據(jù)不同材料的膨脹系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)件之間可能產(chǎn)生的應(yīng)力，由此來確定各種結(jié)構(gòu)件配合時(shí)所能夠允許的公差。材料的熱膨脹性能在航空航天/微電子技術(shù)/能源有效利用/核能技術(shù)/新材料開發(fā)等高新技術(shù)領(lǐng)域，以及石油化工/鋼鐵冶金/建筑節(jié)能/制冷空調(diào)等工業(yè)領(lǐng)域都具有明顯的科學(xué)意義和重要的工程應(yīng)用價(jià)值，是工程設(shè)計(jì)/技術(shù)創(chuàng)新/應(yīng)用領(lǐng)域和科學(xué)研究的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)部分

1.樣品加工工藝

實(shí)驗(yàn)過程：分別對客戶提供的兩組進(jìn)行過六種不同的熱處理工藝的某合金鋼（無相變）樣品試驗(yàn)，然后采用：GB/T 4339-2008 金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測定,用熱機(jī)械分析儀測量平均線膨脹系數(shù)α（單位10^-6/℃）值。

熱處理試驗(yàn)工藝如下：

①750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬+560℃×6h空冷；

②750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬+520℃×6h空冷；

③750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬+480℃×6h空冷；

④750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬；

⑤750℃×1h 空冷；

⑥750℃×1h 空冷+800℃×1h空冷

試驗(yàn)結(jié)果如下圖

數(shù)據(jù)出處見參考文獻(xiàn)。

2.樣品形狀尺寸

試驗(yàn)過程：選用某高溫合金樣品，一組試樣規(guī)格為5×5×25（mm）的立方體，另一組試樣規(guī)格為Φ6×25（mm）的圓柱體，用熱分析機(jī)械分析儀進(jìn)行平均線膨脹系數(shù)試驗(yàn)，測量其在室溫到溫度450℃和650℃的平均線膨脹系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如下

表1 方體平均線膨脹系數(shù)（α×10^-6/℃）

表2 圓柱體平均線膨脹系數(shù)（α×10^-6/℃）

表1&表2數(shù)據(jù)出自 華瑛：《熱膨脹系數(shù)的影響因素分析》

熱膨脹性能的結(jié)果分析

1.試樣加工工藝的影響

試樣在經(jīng)過不同的熱處理工藝后，材料的平均線膨脹系數(shù)發(fā)生了較大的變化。隨著回火溫度的降低，平均線膨脹系數(shù)α值也隨之降低，但降低幅度比較平緩。在“750℃×1h空冷+800℃×1h空冷”工藝下，α值急劇下降，這與熱處理后特鋼樣品所得的顯微組織有關(guān)，因?yàn)樵诓煌幕鼗饻囟认拢瑯悠返膬?nèi)部組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變，而使得平均線膨脹系數(shù)發(fā)生了變化。

2.試樣形狀尺寸的影響

長方體熱變形可看做在表面各處受到了不同大小的約束力作用，使得膨脹量呈曲線狀，特別是在試樣邊角處，受到較大的約束力。長方體熱膨脹時(shí)，其表面各點(diǎn)膨脹量都不相同，中間是變形量最大處，測量誤差比較大。圓柱體是對稱形體，邊界受力分析方法和長方體相同，故測量值實(shí)際上是圓柱體變形后的頂端突出部位的測量值，圓柱體端面中心處變形量最大，實(shí)際樣品的變形值是樣品中心點(diǎn)處的變形量，計(jì)算出的材料熱膨脹系數(shù)值比較接近于實(shí)際值，所以圓柱體的測量誤差比較小。

結(jié)論：

線膨脹系數(shù)測量過程受到多種因素的影響，試樣的加工工藝方法和形狀尺寸的差異是造成熱膨脹系數(shù)偏差大的主要原因。另外，在測量過程中，環(huán)境因素的影響包括室溫、震動、噪音、輻射等都會使測量結(jié)果發(fā)生變化。因此只有綜合考慮熱膨脹系數(shù)的影響因素才能有效提高線膨脹系數(shù)測量的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

華瑛：《熱膨脹系數(shù)的影響因素分析》

GB/T 4339-2008 金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測定

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