關(guān)鍵詞：熱膨脹系數(shù)  材料  焊接 熔融

物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的變化而膨脹的現(xiàn)象稱為熱膨脹。其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導(dǎo)致的長(zhǎng)度、面積或體積的變化，即熱膨脹系數(shù)表示。熱膨脹的本質(zhì)是晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間的平均距離隨溫度變化而變化。材料的熱膨脹通常用線膨脹系數(shù)或者體膨脹系數(shù)來表述。熱膨脹系數(shù)是材料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。

熱膨脹系數(shù)有線膨脹系數(shù)α、面膨脹系數(shù)β和體膨脹系數(shù)γ。

線膨脹系數(shù)α=ΔL/(L*ΔT)，

面膨脹系數(shù)β=ΔS/(S*ΔT)，

體膨脹系數(shù)γ=ΔV/(V*ΔT)，

式中ΔL為所給溫度變化ΔT下物體長(zhǎng)度的改變，L為初始長(zhǎng)度；ΔS為所給溫度變化ΔT下物體面積的改變，S為初始面積；ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變，V為初始體積；

嚴(yán)格說來，上式只是溫度變化范圍不大時(shí)的微分定義式的差分近似；準(zhǔn)確定義要求ΔV與ΔT無限微小，這也意味著，熱膨脹系數(shù)在較大的溫度區(qū)間內(nèi)通常不是常量。

溫度變化不是很大時(shí)，α就成了常量，利用它，可以把固體和液體體積膨脹表示如下：

Vt=V0(1+3αΔT)，

而對(duì)理想氣體，

Vt=V0(1+0.00367ΔT)；

Vt、V0分別為物體末態(tài)和初態(tài)的體積

對(duì)于可近似看做一維的物體，長(zhǎng)度就是衡量其體積的決定因素，這時(shí)的熱膨脹系數(shù)可簡(jiǎn)化定義為：?jiǎn)挝粶囟雀淖兿麻L(zhǎng)度的增加量與的原長(zhǎng)度的比值，這就是線膨脹系數(shù)。

對(duì)于三維的具有各向異性的物質(zhì)，有線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)之分。如石墨結(jié)構(gòu)具有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數(shù)也呈現(xiàn)出各向異性，表現(xiàn)為平行于層面方向的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于垂直于層面方向。

宏觀熱膨脹系數(shù)與各軸向膨脹系數(shù)的關(guān)系式有多個(gè)，普遍認(rèn)可的有Mrozowski算式：

α=Aαc+(1-A)αa

αa,αc分別為a軸和c軸方向的熱膨脹率，A被稱為“結(jié)構(gòu)端面”參數(shù)。

線性熱膨脹系數(shù)與由溫度波動(dòng)引起的聚合物容積變化有關(guān)，這在pvT圖中能很好地表現(xiàn)出來。對(duì)于許多種材料而言，熱膨脹與這種材料的熔融溫度有關(guān)，如圖下圖。

聚合物的熱膨脹系數(shù)和彈性模量之間也存在著一定的關(guān)系。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，選擇材料的熱膨脹系數(shù)顯得尤為重要，如玻璃儀器、陶瓷制品的焊接加工，都要求兩種材料具備相近的熱膨脹系數(shù)。在電真空工業(yè)和儀器制造工業(yè)中廣泛地將非金屬材料與各種金屬焊接，也要求兩者有相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)：如果選擇材料的膨脹系數(shù)相差比較大，焊接時(shí)由于膨脹的速度不同，在焊接處產(chǎn)生應(yīng)力，降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度和氣密性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。如果層狀物由兩種材料迭置連接而成，則溫度變化時(shí)，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中要采用——中間膨脹值，從而使一種材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力而另一種材料中產(chǎn)生大小相等的張應(yīng)力，恰當(dāng)?shù)睦眠@個(gè)特性，可以增加制品的強(qiáng)度。因此，測(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要意義。那么，影響熱膨脹系數(shù)的因素又有哪些呢？

一、化學(xué)礦物組成。熱膨脹系數(shù)與材料的化學(xué)組成、結(jié)晶狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、鍵的強(qiáng)度有關(guān)。組成相同，結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，膨脹系數(shù)不相同。通常情況下，結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大；而類似于無定形的玻璃，往往有較小的膨脹系數(shù)。鍵強(qiáng)度高的材料一般會(huì)有低的膨脹系數(shù)。

二、相變。材料發(fā)生相變時(shí)，其熱膨脹系數(shù)也要變化。純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排伴隨著金屬比容突變，導(dǎo)致線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。

三、合金元素對(duì)合金熱膨脹有影響。簡(jiǎn)單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數(shù)介于內(nèi)組元膨脹系數(shù)之間。而多相合金膨脹系數(shù)取決于組成相之間的性質(zhì)和數(shù)量，可以近似按照各相所占的體積百分比，利用混合定則粗略計(jì)算得到。

四、織構(gòu)的影響。單晶或多晶存在織構(gòu)，導(dǎo)致晶體在各晶向上原子排列密度有差異，導(dǎo)致熱膨脹各向異性，平行晶體主軸方向熱膨脹系數(shù)大， 垂直方向熱膨脹系數(shù)小。

五、內(nèi)部裂紋及缺陷也會(huì)對(duì)熱膨脹產(chǎn)生影響。