摘要：簡述了金屬材料熱膨脹系數與材料成分和組織結構之間的關系，材料熱膨脹系數在現代工業生產實踐中具有重要的意義。材料熱膨脹系數的物理本質是同原子間的作用力密切相關的，由于材料熱膨脹系數的精確獲得在科研及生產中具有重要的理論研究與應用價值，故文章較詳盡地分析了材料熱膨脹系數的主要影響因素并進行了試驗驗證。

關鍵詞：熱膨脹；線膨脹系數；材料熱膨脹系數；平均線膨脹系數

引言：

隨著現代科技水平的不斷發展，機械、航空等領域中對零件的精度要求越來越高，精密機械零件的受溫變形一般是用熱膨脹性能來解釋和補償的，而精密制造中的超精密加工對材料的熱膨脹性能有著更高的要求，所以對熱膨脹系數的準確測量將直接影響到材料補償的精度。

線膨脹系數測試的定義：

熱膨脹系數的定義為：當溫度由t1變到t2，長度相應地由L1變到L2時，材料在該溫區的平均線膨脹系數為α=L2-L1/L1(t2-t1)=ΔL/L1ΔT，同理，平均體膨脹系數β=ΔV/V1ΔT。在一般情況下，表征材料的熱膨脹特性采用平均線膨脹系數來表示。

線膨脹系數測試的意義：

在大多數的工程中都免不了要組合使用不同的材料，這就必須要根據不同材料的膨脹系數來考慮結構件之間可能產生的應力，由此來確定各種結構件配合時所能夠允許的公差。材料的熱膨脹性能在航空航天/微電子技術/能源有效利用/核能技術/新材料開發等高新技術領域，以及石油化工/鋼鐵冶金/建筑節能/制冷空調等工業領域都具有明顯的科學意義和重要的工程應用價值，是工程設計/技術創新/應用領域和科學研究的基礎。

實驗部分

1.樣品加工工藝

實驗過程：分別對客戶提供的兩組進行過六種不同的熱處理工藝的某合金鋼（無相變）樣品試驗，然后采用：GB/T 4339-2008 金屬材料熱膨脹特征參數的測定,用熱機械分析儀測量平均線膨脹系數α（單位10^-6/℃）值。

熱處理試驗工藝如下：

①750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬+560℃×6h空冷；

②750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬+520℃×6h空冷；

③750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬+480℃×6h空冷；

④750℃×1h 空冷+930℃×15min水淬；

⑤750℃×1h 空冷；

⑥750℃×1h 空冷+800℃×1h空冷

試驗結果如下圖

數據出處見參考文獻。

2.樣品形狀尺寸

試驗過程：選用某高溫合金樣品，一組試樣規格為5×5×25（mm）的立方體，另一組試樣規格為Φ6×25（mm）的圓柱體，用熱分析機械分析儀進行平均線膨脹系數試驗，測量其在室溫到溫度450℃和650℃的平均線膨脹系數。

試驗結果如下

表1 方體平均線膨脹系數（α×10^-6/℃）

表2 圓柱體平均線膨脹系數（α×10^-6/℃）

表1&表2數據出自 華瑛：《熱膨脹系數的影響因素分析》

熱膨脹性能的結果分析

1.試樣加工工藝的影響

試樣在經過不同的熱處理工藝后，材料的平均線膨脹系數發生了較大的變化。隨著回火溫度的降低，平均線膨脹系數α值也隨之降低，但降低幅度比較平緩。在“750℃×1h空冷+800℃×1h空冷”工藝下，α值急劇下降，這與熱處理后特鋼樣品所得的顯微組織有關，因為在不同的回火溫度下，樣品的內部組織發生了轉變，而使得平均線膨脹系數發生了變化。

2.試樣形狀尺寸的影響

長方體熱變形可看做在表面各處受到了不同大小的約束力作用，使得膨脹量呈曲線狀，特別是在試樣邊角處，受到較大的約束力。長方體熱膨脹時，其表面各點膨脹量都不相同，中間是變形量最大處，測量誤差比較大。圓柱體是對稱形體，邊界受力分析方法和長方體相同，故測量值實際上是圓柱體變形后的頂端突出部位的測量值，圓柱體端面中心處變形量最大，實際樣品的變形值是樣品中心點處的變形量，計算出的材料熱膨脹系數值比較接近于實際值，所以圓柱體的測量誤差比較小。

結論：

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。

參考文獻：

華瑛：《熱膨脹系數的影響因素分析》

GB/T 4339-2008 金屬材料熱膨脹特征參數的測定

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