线膨胀系数测量的讲义

金属线膨胀系数的测量绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。.实验目的学习测量金属线膨胀系数的一种方法。.实验仪器金属线膨胀系数测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪、游标卡尺、千分表、待测金属杆（铜杆、铁杆）金属线膨胀系数测量的实验装置如图1金属线膨胀系数测量的实验装置如图1所示YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪面板如图2所示YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪温度设定/""A上盘温度I温度设定/""A上盘温度I）下盘温度-测量选择图2三.实验原理材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为L的物体，受热后其伸长量AL与其温度的增加量AT近似成正比，与原长L亦成正比，即AL=aLAT （1）式中的比例系数a称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔凝石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。几种材料的线胀系数材 料铜、铁、铝普通玻璃、陶瓷殷钢熔凝石英a数量级/(°C)-1约10-5约10-6<2x10-6约10-7实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出T时杆长L（一1般，杆在T时的长度L可以近似等于杆在常温时的长度）、受热后温度达T2时的伸长量AL和受热前后的温度T及T，则该材料在（T，T）温区的线胀系数为：1 2 1 2a= （2）L（T2-T）其物理意义是固体材料在（T1，T2）温区内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为（°C）-1。测线胀系数的主要问题是如何测伸长量AL。而AL是很微小的，如当L^250mm，温度变化T—Te100°C，金属的a数量级为10-5（°C）-1时，可估算出AL^0.25mm。对于这么21微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0.001mm）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法。本实验中采用千分表测微小的线胀量。千分表是一种通过齿轮的多极增速作用，把一微小的位移，转换为读数圆盘上指针的读数变化的微小长度测量工具，它的传动原理如图3所示，结构如图4所示，千分表在使用前，都需要进行调零，调零方法是：在测头无伸缩时，松开“调零固定旋钮”，旋转表壳，使主表盘的零刻度对准主指针，然后固定“调零固定旋钮”调零好后，毫米指针与主指针都应该对准相应的0刻度。千分表的读数方法：本实验中使用的千分表，其测量范围是0-1mm。当测杆伸缩0.1mm时，主指针转动一周，且毫米指针转动一小格，而表盘被分成了100个小格，所以主指针可以精确到0.1mm的1/100，即0.001mm，可以估读到0.0001mm。即：千分表读数=毫米表盘读数+1000x主表盘读数 （单位：mm）（毫米表盘读数不需要估读，主表盘读数需要估读）1例如：图5中千分表读数为：0.2+1000x59.8=0.2598mm

P：带齿条的测杆； Z1〜Z5：传动齿轮;R：读数指针图3四、实验步骤1、如图1所示，卸下三个下盘支撑螺钉，安装好实验装置，连接好电缆线。将铜杆插人加热盘的恒温腔，使其完全在恒温腔内部，将“可调顶紧螺旋”的尖端靠拢铜杆一端，千分表（已调零好）测头靠拢铜杆的另一端，锁紧“千分表固定螺钉”，旋动“可调顶紧螺旋”，直到千分表的指针微有旋转（约0.2—0.3mm）。打开电源开关，“测量选择”开关旋至“设定温度”档，调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮，选择设定加热盘为所需的温度（如90.0°C）值。2、 将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档，打开加热开关，观察加热盘温度的变化，直至温度稳定，此时加热盘可能达不到设定温度，可适当调节“设定温度细选”使其温度达到所需的温度（如90.0C），这时给加热盘设定的温度要高于所需的温度（如90.0C），把此时温度计为T1，读出千分表数值S1。3、 重复步骤2,设定温度依次递增5°C，且递增5次（如依次为95.0C、100.0C、105.0C、110.0C、115.0C），随着温度的上升，千分表开始旋转，当温度稳定后，千分表停止动作，记下此时的温度值（T、T、T、T、T）及千分表读数（S、S、S、S、S）。2 3 4 5 6 2 3 4 5 64、 用逐差法求出温度每升高5C时铜杆的平均伸长量，由（2）式即可求出铜杆在这个温区（如90.0C，115.0C）内的线胀系数。五、数据记录及处理1、测量铜杆室温时的原长L测量次数123平均值L/mm2、记录对应温度时的千分表读数T/°CS/mmT=S=T2=T+5°C=S=T3=“+10°C=S=T4=T+15°C=S=T=T+20°C=S=T6=“+25°C=S=3、计算得到铜杆的线胀系数①温度每升高5°C时，由逐差法处理数据，可得铜杆的平均伸长量AL为:(L-L)+(L-L)+(L-L)AL=—4 1————5 2 3x3-6 (mm)②铜杆在（T1=°C，T=6°C）温区的线胀系数为ALa=——=5L(°C)-14、误差分析六、 注意事项1、 千分表安装须适当固定（以表头无转动为准）且与被测物体有良好的接触（读数在0.2—0.3mm处较为适宜）；