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线膨胀系数

英文名:coefficient of linear expansion

物理名词,有时也称为线弹性系数(linear expansivity),表示材料膨胀或收缩的程度。分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数,后者称为平均线膨胀系数。前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量;平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间,每升高一度温度的平均伸长量。

亦称线胀系数。固体物质的温度每升高1℃时,其单位长度的伸长量,叫做“线膨胀系数”。单位为1/℃或1/开。符号为αl。其定义式是(见图)

即有

lt=l0(l+al△t)。

由于物质的不同,线膨胀系数亦不相同,其数值也与实际温度和确定长度1时所选定的参考温度有关,但由于固体的线膨胀系数变化不大,通常可以忽略,而将a当作与温度无关的常数。

《机械设计手册》上有材料的线膨胀系数可供查询。

线膨胀系数随温度变化的规律类似于热容的变化。a值在很低温度时很小,随温度升高而很快增加,在德拜特征温度以上时趋向于常数。线膨胀系数的绝对值与晶体结构和键强度密切相关。键强度高的材料具有低的线膨胀系数。相对金属材料,耐火材料的键强大,线膨胀系数小。一般氧化物的α值在(8~15)×10K范围,二元硅酸盐物质的α值一般在(5.2~10)×10K碳化物的a值为(5~7)×10K金刚石为1×1010K石英玻璃则由于其结构松弛,结构中四面体的线膨胀能为结构中的空隙所容纳,而具有极小的a值(0.5×1010K非等轴晶体沿不同晶轴的a值不同,尤其是石墨这类层状结构的物质。石墨的层内结合力强,层向a值很小(1×1010K),层间结合力很弱,层间方向a值高达27×10K对于具有很强的非等轴性的晶体,某一方向上的n值可能为负数。由各向异性多晶体组成的耐火材料和由各相a值不同的多相多晶体组成的耐火材料,在烧成冷却过程中材料内会产生内应力。当晶界处于高的应力状态时,材料强度降低,甚至产生微裂纹。气孔率对耐火材料的热膨胀特性也有影响。当气孔使材料内颗粒间的结合变弱时,a值变小。而连续固相中的封闭小气孔几乎不影响a值。多相多晶和复合材料的线膨胀系数是可以根据物相组成进行计算的。所有计算公式都以各相之间在内应力作用下不产生微裂纹为前提,所以实际上是一种近似的估算,多微裂纹的耐火材料,a的实测值和计算值的偏差可以用作衡量显微结构中缺陷数量的一种尺度。

耐火材料线膨胀系数的常用测量方法是顶杆式间接法和望远镜直读法。新的激光法测定线膨胀系数也越来越受到重视。

顶杆法是一种经典方法,采用机械测量原理,即将试样的一端固定在支持器的端头上,另一端与顶杆接触,试样、支持器和顶杆同时加热,试样与这些部件的热膨胀差值被顶杆传递出来,并被测量。这类仪器由于试样位置(立式或卧式)、膨胀量的测量方法(直接测量、电子或光学方法)而区分成多种型号的仪器。应用较普遍的是电感式膨胀仪。它的传感器是差动变压器,也称差动变压器热膨胀仪。由于顶杆和支持器尺寸较长,高温炉的加热条件难于使温度分布均匀一致,顶杆和支持器之间的膨胀量难以相互抵消,所以膨胀的测量值需要校正。

望远镜直读法是用双筒望远镜直接观察炉内高温下试样膨胀的变化值,通过计算得到线膨胀系数。测量温度可高达2000℃,目镜上的测微计直接测量试样伸长量。所用试样较长,加热炉要有足够的恒温带。该方法的缺点是一般不易自动记录。现在已发展了定时照相的自动记录系统。

热膨胀是近年发展的。它是以一激光束扫描试样,而不断测定试样在加热过程中长度的变化。由于测量精度高、计算机组成的全自动控制、记录和多功能系统而受到欢迎。选择热膨胀测量方法时主要考虑测试范围、待测材料的种类和特性、测量精度和灵敏度等。

线膨胀系数是耐火材料使用时应考虑的重要性能之一。炉窑通常在常温下砌筑,在高温下使用时炉体膨胀。为抵消热膨胀造成的应力,需预留膨胀缝。线膨胀系数是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数,它与材料的抗热震性、受热冲击时材料内部热应力的分布和大小密切相关。在复合材料和多相材料制显造中,必须考虑其线膨胀系数的匹配和差异对结构、性能的影响。此外,通过对材料线膨胀系数随温度变化曲线的测定,可以进行材料矿物分析、相变、微裂纹的愈合和扩展等的研究。 [1]

1:化学矿物组成。热膨胀系数与材料的化学组成、结晶状态、晶体结构、键的强度有关。组成相同,结构不同的物质,膨胀系数不相同。通常情况下,结构紧密的晶体,膨胀系数较大;而类似于无定形的玻璃,往往有较小的膨胀系数。键强度高的材料一般会有低的膨胀系数。

2:相变。材料发生相变时,其热膨胀系数也要变化。纯金属同素异构转变时,点阵结构重排伴随着金属比容突变,导致线膨胀系数发生不连续变化。

3:合金元素对合金热膨胀有影响。简单金属与非铁磁性金属组成的单相均匀固溶体合金的膨胀系数介于内组元膨胀系数之间。而多相合金膨胀系数取决于组成相之间的性质和数量,可以近似按照各相所占的体积百分比,利用混合定则粗略计算得到。

4:织构的影响。单晶或多晶存在织构,导致晶体在各晶向上原子排列密度有差异,导致热膨胀各项异性,平行晶体主轴方向热膨胀系数大, 垂直方向热膨胀系数小。

5:内部裂纹及缺陷也会对热膨胀系数产生影响。 [2]


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