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简要介绍热膨胀分析的原理和热膨胀系数

2020.12.28

  热膨胀分析即是从测量金属在温度改变时或相变尺寸效应的变化来研究金属内部的转变,可以用来测定金属在加热与冷却过程中的临界点及热膨胀系数等,并广泛地用于研究钢在淬火与回火状态的各种变化。

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  原理:

  物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下,大多数物质在温度升高时,其体积增大,温度降低时体积缩小。在相同条件下,气体膨胀最大,液体膨胀次之,固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内,温度升高时,其体积反而减小。因为物体温度升高时,分子运动的平均动能增大,分子间的距离也增大,物体的体积随之而扩大;温度降低,物体冷却时分子的平均动能变小,使分子间距离缩短,于是物体的体积就要缩小。又由于固体、液体和气体分子运动的平均动能大小不同,因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显著的区别。

  物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p一定)下,单位温度变化所导致的体积变化,即热膨胀系数表示热膨胀系数α=ΔV/(V*ΔT),式中ΔV为所给温度变化ΔT下物体体积的改变,V为物体体积。

  严格说来,上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似;准确定义要求ΔV与ΔT无限微小,这也意味着,热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。温度变化不是很大时,α就成了常量,利用它,可以把固体和液体体积膨胀表示如下:

  Vt=V0(1+3αΔT),

  而对理想气体,Vt=V0(1+0.00367ΔT);Vt、V0分别为物体末态和初态的体积。

  对于可近似看做一维的物体,长度就是衡量其体积的决定因素,这时的热膨胀系数可简化定义为:单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值,这就是线膨胀系数。

  对于三维的具有各向异性的物质,有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性,因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性,表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。

  宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个,普遍认可的有Mrozowski算式:α=Aαc+(1-A)αa

  αc,αa分别为a轴和c轴方向的热膨胀率,A被称为“结构端面”参数。

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