1、1.3.4 膨胀的测量膨胀的测量 膨胀测量是材料热性能研究的一种物理方法。膨胀测量是材料热性能研究的一种物理方法。材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征，通常材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征，通常检测其平均线膨胀，核心在于精确测量在特定检测其平均线膨胀，核心在于精确测量在特定温区内的热膨胀量。温区内的热膨胀量。 由于理论和低温研究的需要，热膨胀测量在高由于理论和低温研究的需要，热膨胀测量在高灵敏度灵敏度(l/l 10-12) 、高精度方面发展较快；、高精度方面发展较快； 工业上的膨胀测量向自动化和快速反映方向发工业上的膨胀测量向自动化和快速反映方向发展。展。微机的应用使精度和自动化程度得到提高。
2、微机的应用使精度和自动化程度得到提高。热膨胀在快速冷却，加热的热循环中，对研究热膨胀在快速冷却，加热的热循环中，对研究材料组织结构转变具有独特作用。材料组织结构转变具有独特作用。 膨胀的测量方法：膨胀的测量方法：光学式，电测式，机械式光学式，电测式，机械式。德国耐驰仪器制造有限公司上海代表处德国耐驰仪器制造有限公司上海代表处主要技术指标 工作温度： 室温1600 ； 灵敏度： 1.25nm/digit; 升温速率： 0.110 /min;样品状态： 固体、粉末、液态; 样品大小： 长50mm (max)直径： 12mm (max); 测试气氛： 真空（10-4mbar）、静态、动态（可用惰性或
3、反应气体）。 ULTRA HIGH TEMPERATURE DILATOMETERAmbient to 2000/ 2500/ 2800CSingle or dual sampleResearch qualitySintering studiesFull range optical pyrometer(光测高温计光测高温计)Vacuum or inert atmosphereFully automatic operation with Windows software(PC not included)左图显示的是氮化硅左图显示的是氮化硅生料的热膨胀和膨胀生料的热膨胀和膨胀速率微分曲线。由于速率
4、微分曲线。由于烧结添加剂的影响，烧结添加剂的影响，材料在材料在1201开始了开始了烧结过程。主要的收烧结过程。主要的收缩过程发生在缩过程发生在 1424（外推起始点）。在（外推起始点）。在 1760 以上的效应则以上的效应则由添加剂的挥发引起。由添加剂的挥发引起。应用实例应用实例: 氮化硅氮化硅由于其出色的热性能和机械特性，氮化硅正日益成为高科技由于其出色的热性能和机械特性，氮化硅正日益成为高科技领域中的常用材料之一（如作为汽车引擎的阀门）。当然，领域中的常用材料之一（如作为汽车引擎的阀门）。当然，生产与烧结工艺对于最终成品的性能有着决定性的影响。生产与烧结工艺对于最终成品的性能有着决定性的影
5、响。Laser Interferometry Type Thermal Expansion Meter Its measurement accuracy is as high as 2nm as against +/- 1um which is obtainable by the conventional push rod type dilatometer. 1.光学膨胀仪的基本原理是什么光学膨胀仪的基本原理是什么?2.标准样的功能是什么标准样的功能是什么?对标准样有对标准样有何要求何要求?1. 示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪有何优点有何优点?2. 光干涉法膨胀仪
6、的基本原理是什光干涉法膨胀仪的基本原理是什么么?(光的干涉条件是什么光的干涉条件是什么?如何实如何实现现?如何计算试样的膨胀量如何计算试样的膨胀量?)3. 电感式膨胀仪的基本原理是什么电感式膨胀仪的基本原理是什么?有何特点有何特点?常用的膨胀仪常用的膨胀仪1. 光学膨胀仪光学膨胀仪 光学膨胀仪是物理冶金中常用的膨胀仪。光学膨胀仪是物理冶金中常用的膨胀仪。其基本原理是利用光杠杆放大试样的膨胀其基本原理是利用光杠杆放大试样的膨胀量，并用标准样的伸长标出温度。又通过量，并用标准样的伸长标出温度。又通过照相方法自动记录膨胀曲线。放大倍数可照相方法自动记录膨胀曲线。放大倍数可达达200 800倍倍通常可
7、分为通常可分为：(1). 普通光学膨胀仪普通光学膨胀仪(测定膨胀系数测定膨胀系数)(2). 示差光学膨胀仪示差光学膨胀仪(灵敏度和精确度更高灵敏度和精确度更高，适于适于测定临界点测定临界点)膨胀仪按原理可分为：膨胀仪按原理可分为：光学式，电测式，机械式光学式，电测式，机械式。注：注：（1）A点用铰链固定。点用铰链固定。AC垂直；垂直；AB水平。水平。（2）借助光路的多次反射可延长反射镜和）借助光路的多次反射可延长反射镜和感光纸的距离，以达到所需放大倍数感光纸的距离，以达到所需放大倍数(200, 400, 800倍倍)。(一一). 普通光学膨胀仪普通光学膨胀仪光杠杆式膨胀原理图：光杠杆式膨胀原理
8、图：共析钢膨胀曲线示意图共析钢膨胀曲线示意图:lT/Ac1Ar14545CAB底片底片光源光源标准样标准样待测样待测样石英杆石英杆共析钢共析钢标准样的要求：标准样的要求：其膨胀量与温度成正比；在测量范围内无相变其膨胀量与温度成正比；在测量范围内无相变,不易氧化不易氧化；导热系数接近待测样。与试样的导热系数接近待测样。与试样的形状和尺寸相同形状和尺寸相同.标准样的选择：标准样的选择：较低温度方围研究有色金属和合金时，常用铜较低温度方围研究有色金属和合金时，常用铜和铝纯金属做标准样；和铝纯金属做标准样；研究钢材时，研究钢的标样可采用皮洛斯合金研究钢材时，研究钢的标样可采用皮洛斯合金（PYROS a
9、lloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).稳定稳定性好，性好，1000度以下无相变，膨胀系数由度以下无相变，膨胀系数由12.2710-6/K均匀增加到均匀增加到21 . 2410-6/K。较较石英传动杆的线膨胀系数约石英传动杆的线膨胀系数约0.510-6/K。(二二) 示差光学膨胀仪：示差光学膨胀仪：（试样与标样热膨胀的相对差值的方法）（试样与标样热膨胀的相对差值的方法）60标样标样试样试样BAC底片底片光光OyxCACB标样功能：水平分量指示温度；纵向分量抵消试标样功能：水平分量指示温度；纵向分量抵消试样的膨胀量，尤其是试样组织未转变前的膨胀量。样的膨胀量，尤其是试样组织未转变前的膨胀量
10、。从而使膨胀量的范围缩小，提高了测量精度和灵从而使膨胀量的范围缩小，提高了测量精度和灵敏度。很适用于分析金属内部组织变化。敏度。很适用于分析金属内部组织变化。光干涉法膨胀仪光干涉法膨胀仪干涉条件干涉条件: 两列频率相同两列频率相同,位相差恒定的波相遇而干涉。位相差恒定的波相遇而干涉。膨胀量：膨胀量：l = N/2; N由光敏元件和计数器连续测定。由光敏元件和计数器连续测定。优点：精度高（光波长在优点：精度高（光波长在0.1微米量级微米量级)。缺点：装置设计要求高。缺点：装置设计要求高。上下干涉板上下干涉板试样试样半透镜半透镜光敏元件光敏元件计数器计数器记录仪记录仪光干涉法膨胀仪示意图光干涉法膨
11、胀仪示意图2. 电测式膨胀仪电测式膨胀仪将膨胀量转换为电讯号，然后进行电讯号的记录，将膨胀量转换为电讯号，然后进行电讯号的记录，数据处理和画出膨胀曲线。数据处理和画出膨胀曲线。(包括应变电阻式膨胀仪，电容式膨胀仪和电感式膨胀仪包括应变电阻式膨胀仪，电容式膨胀仪和电感式膨胀仪) 。电感式膨胀仪电感式膨胀仪原理原理:采用差动变压器原理将试样的膨胀量转换为采用差动变压器原理将试样的膨胀量转换为电信号（放大倍数可达到电信号（放大倍数可达到6000倍）。倍）。特点：特点：试样可采用真空高频加热，加热速度可控制在试样可采用真空高频加热，加热速度可控制在500/s以下范围。试样冷却可以选用小电流加热自以下范
12、围。试样冷却可以选用小电流加热自然冷却和强力喷气冷却三种冷却方式。加热温度和然冷却和强力喷气冷却三种冷却方式。加热温度和冷却速度易于自动化和计算机控制和数据处理。近年冷却速度易于自动化和计算机控制和数据处理。近年来，较为先进的全自动快速膨胀仪膨胀量转换采用的来，较为先进的全自动快速膨胀仪膨胀量转换采用的就是差动变压器原理。就是差动变压器原理。缺点：缺点：易受电磁因素的干扰。变压器电源采用易受电磁因素的干扰。变压器电源采用200400Hz以防止工业网的干扰。以防止工业网的干扰。电感式膨胀仪测量原理电感式膨胀仪测量原理试样试样传感杆传感杆磁芯磁芯差动变压器原理图差动变压器原理图试样试样加热炉加热炉
13、控控温温仪仪差动变压器差动变压器恒温箱恒温箱放放大大器器记记录录仪仪膨胀仪结构方框图膨胀仪结构方框图组成：组成：初级，次级线圈和磁芯构成。初级和次初级，次级线圈和磁芯构成。初级和次级线圈绕在同一绝缘管上级线圈绕在同一绝缘管上, 次级线圈由两段完次级线圈由两段完全相同的绕组反向的先圈串接而成。它们相对全相同的绕组反向的先圈串接而成。它们相对初级线圈完全对称。磁芯处在中间位置时，反初级线圈完全对称。磁芯处在中间位置时，反接的次级线圈的感生电动势相互抵消。磁芯偏接的次级线圈的感生电动势相互抵消。磁芯偏离中间位置差动变压器信号与磁芯偏离量呈线离中间位置差动变压器信号与磁芯偏离量呈线性关系。性关系。3.机械式膨胀仪机械式膨胀仪(1).千分表式膨胀仪千分表式膨胀仪(2). 杠杆式膨胀仪杠杆式膨胀仪将膨胀量转移到千分表或利用杠杆作用放将膨胀量转移到千分表或利用杠杆作用放大大.
