材料热膨胀系数的测定及影响因素

关键词：热膨胀系数  材料  焊接 熔融

物体的体积或长度随温度的变化而膨胀的现象称为热膨胀。其变化能力以等压(p一定)下，单位温度变化所导致的长度、面积或体积的变化，即热膨胀系数表示。热膨胀的本质是晶体点阵结构间的平均距离随温度变化而变化。材料的热膨胀通常用线膨胀系数或者体膨胀系数来表述。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。

热膨胀系数有线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。

线膨胀系数α=ΔL/(L*ΔT)，

面膨胀系数β=ΔS/(S*ΔT)，

体膨胀系数γ=ΔV/(V*ΔT)，

式中ΔL为所给温度变化ΔT下物体长度的改变，L为初始长度；ΔS为所给温度变化ΔT下物体面积的改变，S为初始面积；ΔV为所给温度变化ΔT下物体体积的改变，V为初始体积；

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

αa,αc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。

线性热膨胀系数与由温度波动引起的聚合物容积变化有关，这在pvT图中能很好地表现出来。对于许多种材料而言，热膨胀与这种材料的熔融温度有关，如图下图。

聚合物的热膨胀系数和弹性模量之间也存在着一定的关系。

在实际应用中，当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，选择材料的热膨胀系数显得尤为重要，如玻璃仪器、陶瓷制品的焊接加工，都要求两种材料具备相近的热膨胀系数。在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料与各种金属焊接，也要求两者有相适应的热膨胀系数：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，降低了材料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。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——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，恰当的利用这个特性，可以增加制品的强度。因此，测定材料的热膨胀系数具有重要意义。那么，影响热膨胀系数的因素又有哪些呢？

一、化学矿物组成。热膨胀系数与材料的化学组成、结晶状态、晶体结构、键的强度有关。组成相同，结构不同的物质，膨胀系数不相同。通常情况下，结构紧密的晶体，膨胀系数较大；而类似于无定形的玻璃，往往有较小的膨胀系数。键强度高的材料一般会有低的膨胀系数。

二、相变。材料发生相变时，其热膨胀系数也要变化。纯金属同素异构转变时，点阵结构重排伴随着金属比容突变，导致线膨胀系数发生不连续变化。

三、合金元素对合金热膨胀有影响。简单金属与非铁磁性金属组成的单相均匀固溶体合金的膨胀系数介于内组元膨胀系数之间。而多相合金膨胀系数取决于组成相之间的性质和数量，可以近似按照各相所占的体积百分比，利用混合定则粗略计算得到。

四、织构的影响。单晶或多晶存在织构，导致晶体在各晶向上原子排列密度有差异，导致热膨胀各向异性，平行晶体主轴方向热膨胀系数大， 垂直方向热膨胀系数小。

五、内部裂纹及缺陷也会对热膨胀产生影响。