熱膨脹系數(shù)金屬膨脹

有時也稱為線彈性系數(shù)（linear expansivity），表示材料膨脹或收縮的程度。分為某一溫度點的線膨脹系數(shù)和某一溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)，后者稱為平均線膨脹系數(shù)。前者是單位長度的材料每升高一度的伸長量；平均線膨脹系數(shù)是單位長度的材料在某一溫度區(qū)間，每升高一度溫度的平均伸長量。

耐火材料線膨脹系數(shù)的常用測量方法是頂桿式間接法和望遠(yuǎn)鏡直讀法。新的激光法測定線膨脹系數(shù)也越來越受到重視。

熱膨脹系數(shù)頂桿式間接法

頂桿法是一種經(jīng)典方法，采用機(jī)械測量原理，即將試樣的一端固定在支持器的端頭上，另一端與頂桿接觸，試樣、支持器和頂桿同時加熱，試樣與這些部件的熱膨脹差值被頂桿傳遞出來，并被測量。這類儀器由于試樣位置(立式或臥式)、膨脹量的測量方法(直接測量、電子或光學(xué)方法)而區(qū)分成多種型號的儀器。應(yīng)用較普遍的是電感式膨脹儀。它的傳感器是差動變壓器，也稱差動變壓器熱膨脹儀。由于頂桿和支持器尺寸較長，高溫爐的加熱條件難于使溫度分布均勻一致，頂桿和支持器之間的膨脹量難以相互抵消，所以膨脹的測量值需要校正。

熱膨脹系數(shù)望遠(yuǎn)鏡直讀法

望遠(yuǎn)鏡直讀法是用雙筒望遠(yuǎn)鏡直接觀察爐內(nèi)高溫下試樣膨脹的變化值，通過計算得到線膨脹系數(shù)。測量溫度可高達(dá)2000℃，目鏡上的測微計直接測量試樣伸長量。所用試樣較長，加熱爐要有足夠的恒溫帶。該方法的缺點是一般不易自動記錄。

熱膨脹系數(shù)激光法測量

熱膨脹是近年發(fā)展的。它是以一激光束掃描試樣，而不斷測定試樣在加熱過程中長度的變化。由于測量精度高、計算機(jī)組成的全自動控制、記錄和多功能系統(tǒng)而受到歡迎。選擇熱膨脹測量方法時主要考慮測試范圍、待測材料的種類和特性、測量精度和靈敏度等。

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。

對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數(shù)可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數(shù)。

對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。

量度固體材料熱膨脹程度的物理量。是單位長度、單位體積的物體，溫度升高1℃時，其長度或體積的相對變化量。可用平均線膨脹系數(shù)α或平均體積膨脹系數(shù)β表示：

式中L、V分別為試樣原始長度（mm）和原始體積(mm³⁾，ΔL、ΔV分別為溫度由t₁(℃)上升到t₂(℃)時試樣的相對伸長和體積的變化量。在一般情況下，β≈3α，因此實用上采用線膨脹系數(shù)α來表示。它隨材料的組成和溫度的變化而異，是固體材料受熱沖擊時反映其性能變化的物理參數(shù)。

熱膨脹與熱容的關(guān)系

熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動加劇而引起的容積膨脹，而晶格振動的激化就是熱運(yùn)動能量的增大。升高單位溫度時能量的增量即為熱容。因此熱膨脹系數(shù)與熱容密切相關(guān)，并與熱容有著相似的規(guī)律。即在低溫時，膨脹系數(shù)也像熱容一樣按T3規(guī)律變化，0 K時，α、c趨于零；高溫時，因有顯著的熱缺陷等原因，使α仍有一個連續(xù)的增加。圖為Al2O3的熱膨脹系數(shù)和熱容隨溫度變化的關(guān)系曲線，從圖中可看出，在寬廣的溫度范圍內(nèi)，這兩條曲線近似平行，變化趨勢相同。

熱膨脹與結(jié)合能和熔點的關(guān)系

固體材料的熱膨脹與點陣中質(zhì)點的位能有關(guān)，而質(zhì)點的位能是由質(zhì)點間的結(jié)合力特性所決定的。質(zhì)點間的作用力越強(qiáng)，質(zhì)點所處的勢阱越深，升高同樣溫度，質(zhì)點振幅增加得越少，相應(yīng)地?zé)崤蛎浵禂?shù)越小。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)類型相同時，結(jié)合能大的材料的熔點也高，也就是說熔點高的材料膨脹系數(shù)較小。

1：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)度高的材料一般會有低的膨脹系數(shù)。

2：相變。

材料發(fā)生相變時，其熱膨脹系數(shù)也要變化。純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，點陣結(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。

3：合金元素對合金熱膨脹有影響。

簡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算得到。

4：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)致熱膨脹各項異性，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。

5：內(nèi)部裂紋及缺陷也會對熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響。

測定溫度條件及單位：20℃，(單位1E-6 /K或1E-6 /℃）

測定溫度條件：20℃，單位：1/℃（1/K）

物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象。其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導(dǎo)致的體積變化，即熱膨脹系數(shù)表示熱膨脹系數(shù)α=ΔV/(V*ΔT)，式中ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變，V為物體體積。

嚴(yán)格說來，上式只是溫度變化范圍不大時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，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。

對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數(shù)可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數(shù)。

對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，普遍認(rèn)可的有Mrozowski算式：α=Aαc (1-A)αa

αc,αa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)。

項目編號Plan Name in Chinese 20080863-T-609

中文項目名稱Plan Name in Chinese 天然石材試驗方法-線性熱膨脹系數(shù)的測定

英文項目名稱Plan Name in English Natural stone test methods -Determination of thermal expansion coefficient

制\修訂Plan Name in English 制定

被修訂標(biāo)準(zhǔn)號Replaced Standard

采用國際標(biāo)準(zhǔn)Adopted International Standard 國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)

采用國際標(biāo)準(zhǔn)號Adopted International Standard No EN14581:2005

采用程度Application Degree IDT

采標(biāo)名稱Adopted International Standard Name

標(biāo)準(zhǔn)類別Plan Name in English 方法

國際標(biāo)準(zhǔn)分類號(ICS) 91.100.20