《刚性材料 尺寸稳定性评价 第一部分：热膨胀试验方法》

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

刚性材料尺寸稳定性评价

第1部分：热膨胀试验方法

Dimensionalstabilityevaluationofrigidmaterials

Part1:Thermalexpansiontestmethods

2023-XX-XX发布2023-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—2023

刚性材料尺寸稳定性评价第1部分：热膨胀试验方法

重要提示（危险或警告或注意）：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未

指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的

条件。

1范围

本文件规定了金属材料或其他相关刚性材料单一方向（可根据需求选择轴向、横向、径向等）尺寸

稳定性测量方法的定义及符号、原理、测试装置及要求、试样制备、装置校正、测量程序、测量结果等。

本文件适用于采用推杆式膨胀仪测量刚性固体材料在一定温度条件下的尺寸变化值，这种方法可以

评估材料在经过一定的温度条件后因残余应力释放或材料发生相变导致的不可逆尺寸变化。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T4339-2008金属材料热膨胀特征参数的测定

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

定义1linearthermalexpansion

线性热膨胀

与温度变化相应的试样长度方向的尺寸变化。

定义2dimensionalstability

尺寸稳定性

试样在一定的温度条件下，保持其尺寸不发生不可逆变化的能力。

4原理

4.1本标准是将试样置于推杆式膨胀仪中，并经历一定热条件，测量并记录试样温度及尺寸变化。

4.2当采用升/降温的热条件时，通常需要在经历一定热条件后回到与指定的初始温度一致的温度点

来测量不可逆变形。当采用恒定温度的热条件时，可以在恒温段测量不可逆变形。

5环境条件

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5.1环境温度对高精度尺寸测量有显著的影响，尤其是位移传感器部分未采用恒温水浴的设备。整

个试验过程中，环境温度变化不应超过±3℃，设备需安装在能控制温度的房间内。

5.2设备周围不应有震动、电磁干扰，以免对测试结果产生影响。

6仪器设备

6.1试验设备应满足GB/T4339中的要求，其中位移传感器精度应优于0.01μm，图1为典型推杆式

膨胀仪剖视图

样热

样

恒温控品推电

仓杆偶品吹扫气出口

位移传感器制系统真空法兰

吹扫气入口

底板/控制面板过流保护管

图1.推杆式膨胀仪

6.2样品仓和推杆均为石英材料.

6.3为保证位移传感器温度的稳定，设备应当有隔离炉体热辐射影响的装置。必要时，位移传感器

部分应采用恒温水浴。

6.4当测试样品在选定的温度条件下可能发生反应时，应采用气体保护。

7样品

7.1取样部位

通常情况下，样品应直接从产品上切取，根据产品的特点，选取有代表性的部位取样。也可从原材

料上切取，此时的检测结果可用于评估制造过程中不同工艺下的尺寸稳定性水平，用于工艺改进，但最

终的结果应该以产品为准。

7.2试样数量

试样数量应不少于2个。

7.3加工过程

机械加工可能在试样表面产生残余应力。这些残余应力可能是加工阶段的热梯度或材料变形或显微

结构的变化引起的。残余应力在测试过程中会全部或部分释放，引起试样尺寸变化。试样加工过程中宜

采用与产品相似的加工精度或采用影响更小的其它加工方式。

7.4试样尺寸

推荐试样长度为25mm±0.1mm或50mm±0.1mm，长度方向的横截面可以是圆形、矩形或其他形

状，且应该是等截面，截面尺寸在3-10mm。

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试样应轴向均匀，其端面粗糙度Ra应小于10μm，两端面的平行度应小于25μm。

试样端面不应有加工留下的凸起或毛刺，因为它在试验中易产生变形。

推荐的试样见表1

表1.推荐的试样尺寸

试样方向示意图推荐尺寸

长度：25±0.1mm或50±0.1mm

长度方向两端面平行度：≤0.025mm

粗糙度Ra：≤0.01mm

横向边长/直径/宽度：3-10mm

8试验参数

8.1试验温度的选择

本标准倾向于实际应用，试验温度的选择通常与材料的工况相适应，如冷热交变、高温或低温环境

下的持续工作等。应当注意，试样在经过一定的温度程序后，会因为残余应力的释放而产生不可逆变形，

但是不同温度程序下残余应力的释放程度是不同的，因此测试结果与试样本身的残余应力有趋势上的相

关性，即拉应力区材料缩短，压应力区材料伸长，但并无直接的关联。

注：一个样品，其初始残余应力是一定的，但在不同的温度程序下，残余应力的释放程度是不同的，

通常来讲，温度越高，则残余应力的释放越彻底。对于工作温度不同的产品，规定一个相同的试验温度

条件在某些情况下是不公平的，因此，本文件未明确固定的温度程序，鼓励使用者与相关方依据产品工

况就试验温度条件进行协商。

8.2试验时间的选择

大量数据表明，试样在试验过程中，随着试验时间的延长或循环次数的增加，其尺寸变化越来越小，

最终趋于稳定。一个合理的试验时间应经过验证，当每小时或每个循环的尺寸变化率不超过总尺寸变化

率的2%时，视作尺寸变化已达稳定，附录B展示了保温时间验证的案例。

9试验步骤

9.1标样选择

利用已知其膨胀值的标准样品（如高纯Al2O3、熔融石英、蓝宝石、钨、铂等）来校正测量装置。

建议选择与测试样品膨胀值相近的标准样品，且标准样品的长度与样品接近，以获得更好的校正效果。

9.2校正程序

校正曲线应使用与试验条件相同的测试程序，如试样长度、温度曲线、环境气氛等都应尽可能相同。

原则上，每次试验前都应进行校正曲线的测试，当一段时间内采用相同的测试程序进行同类试样的检测

时，可以采用第一次的校正曲线而不必每次都做校正曲线测试。

9.3样品尺寸测量

使用精度优于±25μm的卡尺测量样品在室温下的原始长度L0。

9.4样品清洗

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确保测试样品表面清洁，不应有酸、碱性污染，避免用手直接接触测试样品。必要时，应对测试样

品进行清洗。

9.5样品放置

将测试样品装入热膨胀仪样品仓内，确保其位置稳定。

9.6推杆接触力

通过推杆将适当的微量载荷作用在测试样品上，以保证推杆和测试样品间的接触。这个接触力将在

整个试验过程中保持恒定，依据试样的可压缩性与温度范围的不同，这个力的大小一般应在0.1N-1N之

间，推荐的接触力大小为0.25N，应精密地逐渐增加载荷至设定的接触力大小。

9.7样品测试

打开已经测试好的校正曲线文件，以基线+样品的程序进行样品测试。记录样品整个试验过程中的

全部数据。

10试验数据处理

10.1测试完毕后，用数据软件打开测试数据文件进行数据处理。

10.2对于采用恒温测试程序的试样，可选择到达指定温度并保持稳定后的点作为起点，保温时间结

束时的点作为终点，计算起点与终点的线性热膨胀值差值△L。

10.3对于采用变温测试程序的试样，可选择初始温度附近的一个温度点作为起点（例：在测试程

序中，30℃设置一段恒温程序，然后设置变温程序，变温程序结束后再设置一段30℃的恒温程序作为

结束段），与起点相同温度的结束段作为终点，计算起点与终点的线性热膨胀值差值△L。

10.4计算材料的尺寸稳定性，即单位长度的线性热膨胀变化率（△L/L0）。

11精密度和测量不确定度

应该注意，试样经过热条件后，残余应力会有部分释放和平衡，同时也可能会产生新的残余应力，

因此试样的测试是一次性的，不可重复测量。如对检测结果存疑，可在相邻部位取双倍数量的样品进行

复验。

12质量保证和控制

设备应采用标准样品进行定期校正，利用已知其膨胀值的标准样品进行测试，测试结果与标准样品

数据进行对比。

对于氧化铝标准样品，其△L/L0值与标准数据△L/L0值的偏差＜3%；对于石英标准样品，其△L/L0

-5

值与标准数据△L/L0值应只在10位有差异。

13试验报告

13.1报告试验过程中发生的任何异常情况，如震动、温度变化超出范围等。

13.2报告应包含但不限于如下内容

a）试验样品材质信息；

b）环境温度，℃；

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c）环境相对湿度，%；

d）试验温度程序；

e）试样初始长度，mm；

f）标准样品材质及长度，mm；

g）推杆接触力，N；

h）试验结果（尺寸稳定性），%。

注：试样代表了产品的一部分性能，因产品本身的残余应力分布可能时复杂的，不同位置的试样检

测结果可能存在明显的差异，这可能不是因为检测结果的波动，而是残余应力分不均匀所致，建议报告

每个样品的检测结果而不是平均值。

14特殊情况

如试验过程中出现恒温段曲线有台阶、变温段曲线有波折等情况，测试结果可能受到影响，该样

品的测试数据无效。这种异常通常与环境温度的变化、外界的振动等有关系。

当意外断电等情况导致试验终止时，测试数据无效，应重新取样进行测试。

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附录A

（资料性）

活塞衬套轴向尺寸稳定性测试案例

A.1测试对象：

产品名称：汽车发动机活塞衬套

产品材质：硅黄铜（CuZn31Si1）

产品形状：薄壁管状

产品尺寸：外径50.4mm，壁厚1.9mm。

样品尺寸：长度25mm，宽度5mm（弧形试样）

A.2应用情况：

工况温度：受发动机燃烧影响，发动机工作时实际温度200℃

装配情况：产品冷却后过盈配合安装在发动机缸体上

受载情况：外壁受缸体束缚，活塞在产品内壁往复摩擦

A.3影响分析：

装配后通过加工，与活塞产生尺寸配合，发动机运行一段时间后，由于受到热循环条件的影响，

产品残余应力部分释放，导致发生不可逆尺寸变化。如产品直径变小，则与缸体间的过盈配合变弱，有

从缸体上脱落的风险；如产品直径变大，则与活塞之间的间隙变大，发动机效率下降。

A.4稳定性要求：

220℃恒温20小时以上，尺寸稳定性不超过±0.008%

A.5样品制备：

因壁厚较小，试样采用线切割方式切取图2所示宽度为5mm，长度25mm的全壁厚弧形试样

图2.弧形试样

A.6测试仪器

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德国耐驰DIL402C热膨胀仪

位移传感器精度0.125nm

A.7环境条件：

环境温度：23±2℃

相对湿度：50±5%

A.8位移传感器温度：

采用恒温水浴，温度20±0.1℃

A.9试验温度条件：

室温——以3℃/min速率升温至220℃——恒温24小时——程序结束

A.10标准样品：

铜合金材料膨胀值较大，选择高纯Al2O3作为标准样品

标样尺寸：直径6mm，长度25mm

A.11测试样品：

图3展示了结果满足稳定性要求的试验样品测试曲线

图3.测试结果满足要求的试样

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图4展示了结果不满足稳定性要求的试验样品测试曲线

图4.测试结果不满足要求的试样

图5展示了因环境温度变化导致出现台阶的试验样品测试曲线

图5.测试曲线出现台阶的试样

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附录B

（资料性）

恒温程序保温时间验证案例

A.1保温试验衰减测试说明：

本附录给出了采用恒温程序时，如何选取保温时间的方法。

通常情况下，样品在恒温阶段，随着保温时间验证，单位时间的尺寸变化逐渐减小（即具有稳

定衰减的特征），但是对于恒温段尺寸变化很小的样品，尺寸变化接近空白波动，不具备稳定衰减特征。

因此，在验证保温时间时，不应选取尺寸稳定性很小的样品。

A.2测试样品信息：

本附录样品及试验条件与附录A一致。

A.3衰减测试曲线：

本附录给出了尺寸稳定性显著超出技术要求、尺寸稳定性在技术要求附近和尺寸稳定性接近空

白波动水平3个检测样品的单位时间（每小时）衰减情况。

图6.稳定衰减（尺寸稳定性显著超出技术要求）

图7.稳定衰减（尺寸稳定性在技术要求附近）

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图8.不稳定衰减（尺寸稳定性接近空白波动水平）

从衰减曲线来看，本附录中的样品在220℃恒温＞15小时的时候，每小时的尺寸变化率已低于

总变化率的2%，即恒温时间应＞15小时。