如何判断材料热稳定性好坏?材料热膨胀系数是关键!

2019-08-14  浏览量:378

热膨胀系数是材料的主要物理性质之一,它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。

那什么是热膨胀系数呢?

热膨胀系数是指物质在热胀冷缩效应作用之下,几何特性随着温度的变化而发生变化的规律性系数。

 

对于电子工业、机械装配、航空航天、新材料开发、建筑工程等领域所使用的材料都需要充分考虑热膨胀这一指标,因此在材料的生产、加工和使用过程中,对材料的热膨胀系数进行测定具有十分重要的意义,下面我们通过实例来了解热膨胀系数对材料应用的影响吧。

1. 能够提高产品的热稳定性

选用较低线膨胀系数的材料,可以提高产品的热稳定性,提高产品的使用安全性。

2. 能够提高产品的强度

如果层状物由两种材料迭置连接而成,则温度变化时,由于两种材料膨胀值不同,若仍连接在一起,体系中要采用一中间膨胀值,从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力,恰当地利用这个特性,可以增加制品的强度。

3. 是焊接或熔接的重要参考指数

当两种不同的材料彼此焊接或熔接时,要求两种材料具备相近的膨胀系数。如果选择材料的膨胀系数相差比较大,焊接时由于膨胀的速度不同,在焊接处产生应力,会降低产品的机械强度和气密性,严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。

4. 为我们选用适合的材料提供依据

对于大型的加工机械、精密的仪器设备的选材,需要考虑选用膨胀系数小的材料。

因此,测定材料的热膨胀系数意义重大。

 

材料热膨胀系数表示

材料的热膨胀系数有线性膨胀系数α、面膨胀系数β和体积膨胀系数γ。在实际应用中人们较多关注的是线性膨胀系数α和体积膨胀系数γ:

①线膨胀系数

表示材料膨胀或收缩的程度,指温度每升高1℃,单位长度材料的伸长量,与其在常温时原始长度的比值。

严格来说,在较大的温度区间内,线膨胀系数通常不是常量,其数值与温度密切相关。所以在实际应用中,测定的是平均线膨胀系数。平均线膨胀系数指在某一温度区间内,温度每升高1℃,单位长度材料的平均伸长量。

表示为:α=ΔL/(L*ΔT)

②体膨胀系数

当物体温度改变1℃时,其体积的变化和它在常温时体积之比。表示为:γ=ΔV/(V*ΔT)

材料热膨胀系数检测

材料热膨胀系数测定方法有千分表法、光学机械法、电磁感应热机械法、TMA静态热机械分析法等,其中TMA静态热机械分析法是目前最为准确的测试方法。使用TMA是如何进行测试的呢?下面我们就一起来了解一下。

皇城国际官网实验室收到客户送检样品为某金属材质的方块,如下图参考图所示,想要测试样品的线性热膨胀系数。

 

(图片仅供参考,来源Veer)

 

测试标准:ASTM E813-19用热机械分析法测定固体材料线性热膨胀的试验方法

检测条件:在N₂的环境下以5℃/min的速率从-100℃升到200℃

得到该材料的测试曲线图:

 

 

最后得到该送检样品的线性热膨胀系数如下表所示:

 

 

常用材料线性热膨胀系数参考标准

ISO 11359-1:2014 塑料 热机械分析(TMA)第1部分:通则

ISO 11359-2: 1999塑料-热机械分析法(TMA)第二部分:测定线性热膨胀系数与玻璃化转变温度的试验方法

ASTM E831-19 用热机械分析法测定固体材料线性热膨胀的试验方法

GB/T 4339-2008 金属材料热膨胀特征参数的测定

IPC-TM-650 2.4.24C TMA法测试玻璃化转变温度和Z轴热膨胀等

不同的标准对于样品的要求和测试的升温速度是存在差异的,因此在测试的时候需要按照不同标准的特定要求来进行测试。

 

热膨胀系数的影响因素

线膨胀系数测量过程受到多种因素的影响,试样的加工工艺方法和形状尺寸的差异是造成热膨胀系数偏差大的主要原因。另外,在测量过程中,环境因素的影响包括室温、震动、噪音、辐射等都会使测量结果发生变化。

因此只有综合考虑热膨胀系数的影响因素才能有效提高线膨胀系数测量的准确度。

 

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