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如何判斷材料熱穩定性好壞?測定熱膨脹系數

嘉峪檢測網        2019-08-23 09:58

熱膨脹系數是材料的主要物理性質之一,它是衡量材料的熱穩定性好壞的一個重要指標。

物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。

那什么是熱膨脹系數呢?

熱膨脹系數是指物質在熱脹冷縮效應作用之下,幾何特性隨著溫度的變化而發生變化的規律性系數。

 

對于電子工業、機械裝配、航空航天、新材料開發、建筑工程等領域所使用的材料都需要充分考慮熱膨脹這一指標,因此在材料的生產、加工和使用過程中,對材料的熱膨脹系數進行測定具有十分重要的意義,下面我們通過實例來了解熱膨脹系數對材料應用的影響吧。

 

1. 能夠提高產品的熱穩定性

選用較低線膨脹系數的材料,可以提高產品的熱穩定性,提高產品的使用安全性。

 

2. 能夠提高產品的強度

如果層狀物由兩種材料迭置連接而成,則溫度變化時,由于兩種材料膨脹值不同,若仍連接在一起,體系中要采用一中間膨脹值,從而使一種材料中產生壓應力而另一種材料中產生大小相等的張應力,恰當地利用這個特性,可以增加制品的強度。

 

3. 是焊接或熔接的重要參考指數

當兩種不同的材料彼此焊接或熔接時,要求兩種材料具備相近的膨脹系數。如果選擇材料的膨脹系數相差比較大,焊接時由于膨脹的速度不同,在焊接處產生應力,會降低產品的機械強度和氣密性,嚴重時會導致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。

 

4. 為我們選用適合的材料提供依據

對于大型的加工機械、精密的儀器設備的選材,需要考慮選用膨脹系數小的材料。

因此,測定材料的熱膨脹系數意義重大。

 

材料熱膨脹系數表示

材料的熱膨脹系數有線性膨脹系數α、面膨脹系數β和體積膨脹系數γ。在實際應用中人們較多關注的是線性膨脹系數α和體積膨脹系數γ:

 

①線膨脹系數

表示材料膨脹或收縮的程度,指溫度每升高1℃,單位長度材料的伸長量,與其在常溫時原始長度的比值。

嚴格來說,在較大的溫度區間內,線膨脹系數通常不是常量,其數值與溫度密切相關。所以在實際應用中,測定的是平均線膨脹系數。平均線膨脹系數指在某一溫度區間內,溫度每升高1℃,單位長度材料的平均伸長量。

表示為:α=ΔL/(L*ΔT)

 

②體膨脹系數

當物體溫度改變1℃時,其體積的變化和它在常溫時體積之比。表示為:γ=ΔV/(V*ΔT)

 

材料熱膨脹系數檢測

材料熱膨脹系數測定方法有千分表法、光學機械法、電磁感應熱機械法、TMA靜態熱機械分析法等,其中TMA靜態熱機械分析法是目前最為準確的測試方法。使用TMA是如何進行測試的呢?下面我們就一起來了解一下。

 

測試標準:ASTM E813-19用熱機械分析法測定固體材料線性熱膨脹的試驗方法

檢測條件:在N?的環境下以5℃/min的速率從-100℃升到200℃

得到該材料的測試曲線圖:

 

 

最后得到該送檢樣品的線性熱膨脹系數如下表所示:

 

 

常用材料線性熱膨脹系數參考標準

ISO 11359-1:2014 塑料 熱機械分析(TMA)第1部分:通則

ISO 11359-2: 1999塑料-熱機械分析法(TMA)第二部分:測定線性熱膨脹系數與玻璃化轉變溫度的試驗方法

ASTM E831-19 用熱機械分析法測定固體材料線性熱膨脹的試驗方法

GB/T 4339-2008 金屬材料熱膨脹特征參數的測定

IPC-TM-650 2.4.24C TMA法測試玻璃化轉變溫度和Z軸熱膨脹等

不同的標準對于樣品的要求和測試的升溫速度是存在差異的,因此在測試的時候需要按照不同標準的特定要求來進行測試。

 

熱膨脹系數的影響因素

線膨脹系數測量過程受到多種因素的影響,試樣的加工工藝方法和形狀尺寸的差異是造成熱膨脹系數偏差大的主要原因。另外,在測量過程中,環境因素的影響包括室溫、震動、噪音、輻射等都會使測量結果發生變化。

因此只有綜合考慮熱膨脹系數的影響因素才能有效提高線膨脹系數測量的準確度。

 

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來源:美信檢測

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