固体材料中热膨胀系数,热变形检测方案(热膨胀仪)

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上海依阳实业有限公司www.eyoungindustry.com顶杆法热膨胀系数测试技术应用Application Note 004 上海依阳实业有限公司- www.eyoungindustry.com 热膨胀测试技术——)一加热速率对平均线膨胀系数测试结果影响的实验演示 Thermal Expansion Testing Technology-Experimental Demonstration ofthe Effect of Heating Rate on Average Linear Expansion Coefficient TestResults Temperature ranges，℃ 依阳实业三YUNGDUSTDY 摘要：热膨胀测试过程中，加热速率是一个重要试验设置参数，它直接影响热膨胀系数测量的准确性。本文展示了不同加热速率下对低锰钢材料样品的测试结果，直观显示了加热速率对平均线膨胀系数测试结果的影响。 关键词：热膨胀系数、平均线膨胀系数、加热速率、测试 在热膨胀系数测试过程中，加热速率是一个重要试验设置参数，加热速率的设置直接影响热膨胀系数测量的准确性。一般来说，加热速率越小，热膨胀系数测量的准确性越高，但相应的整个测试过程时间就会很长。因此，在实际热膨胀系数测试过程中，针对不同被测材料样品，选择合理的加热速率则显着非常重要，从而实现既能保证测量的准确性，又能缩短整个测试过程时间。 temperature/℃ 图1不同升温速率下砖坯样品的相对热膨胀变化曲线：2.5℃/分钟(灰色)和10℃/分钟(黑色) 一直以来，加热速率对热膨胀系数测试结果的影响只是一个公认的常识，很少看到有专项研究对这种文响进行系统性考核试验和报道。如 Jankula 等人的研究中[1]，仅展示了不同加热速率会使相对热膨胀曲线之间产生偏移，如图1所示。即在较高加热速率下，温度在整个样品中的分布并不均匀，因此可以观察到相对膨胀的 一些延迟。这种不同加热速率所带来的延迟效应在热分析测试中非常典型，可以在差热分析、热重分析和其他热分析技术中找到，但这种延延性描述和表征并不直观，特别是在热膨胀系数测试中并不能直观描述加热速率的影响。 为了更直接和直观的描述加热速率对热膨胀系数测量的影响， Dulucheanu 等人开展了这方面的专项研究[2]，具体的实验条件如下： (1)热膨胀仪：德国 NETZSCH公司 Expedis DIL 402-SUPREME 膨胀仪； (2)样品材料：铁素体-马氏体结构双相钢； (3)样品尺寸：圆柱形样品，直径5mm，高度25mm； (4)加热温度范围：30~980℃； (5)测试温度范围：30~700℃； (6)加热速率：11、3、5、10和30℃/min； (7)试验气氛：氮气，流速100ml/min； (8)样品负载：200mN。 Force /N 图2膨胀曲线和线性热膨胀系数 (CTE)， 温度范围为 30~700℃，加热速率为3℃/分钟在加热速率为 3℃/min 时，得到如图2所示的相对热膨胀曲线，并由此可计算 得到30~100℃、30~200℃、30~300℃、30~400℃、30~500℃、30~600℃和 30~700℃的平均线膨胀系数。 分别采用不同加热速率进行测试，得到相应的平均线膨胀系数测试结果，数值形式如表1所示，曲线形式如图3所示。 表1不同加热速率下的平均线膨胀系数测试结果 加热速率(℃/分钟) 温度范围(℃) 30~100 30~200 30~300 30~400 30~500 30~600 30~700 1 12.4842×10° 12.9369×10 13.5605×10° 14.0485×10° 14.5021×10° 14.8031×10° 15.0128×10° 3 12.2947×10° 12.8444×10° 13.4223×10 13.9153×10° 14.3413×10° 14.6497×10 14.8513×10° 5 12.0058×10 12.7268×10 13.2158×10° 13.7978×10° 14.1664×10° 14.5852×10 14.8339×10 10 11.1989×10° 12.1986×10° 13.0040×10° 13.6219×10° 14.0802×10° 14.5046×10 14.8203×10° 30 8.1539×10° 11.4013×10° 12.6822×10 13.4275×10° 13.9641×10° 14.4068×10° 14.7689×10° Temperature ranges，℃ 图3平均线性热膨胀系数 (CTE) 随加热速率和温度范围的变化 从这个直观的系列性验证试验可以看出，由于被测样品材料的内部结构和热物理性能，加热速率会对热膨胀系数测试结果产生明显影响，加热速率这一试验参数的选择不当会造成热膨胀系数测量误差极大。因此，在实际测试过程中，要根据被 测材料结构和热物理性能，选择合理的加热速率。 ( 参考文 献 ) ( [1] Jankula M， SiN P ， PODOBA R， et al. Typical problems in push-rod dilatometry analysis[J]. Epitoanyag-Journal of Silicate Based & Composite Materials， 2013，65 (1) ) ( [2] C. D ulucheanu， T. S e verin， M. Baesu， Th e Influence of Heating Rate on t h e Coefficien t of Linear Therma l Expansio n of a 0.087% C and 0 .511%Mn Steel. TEHNOMUS. ) 第页总页 在热膨胀系数测试过程中，加热速率是一个重要试验设置参数，加热速率的设置直接影响热膨胀系数测量的准确性。一般来说，加热速率越小，热膨胀系数测量的准确性越高，但相应的整个测试过程时间就会很长。因此，在实际热膨胀系数测试过程中，针对不同被测材料样品，选择合理的加热速率则显着非常重要，从而实现既能保证测量的准确性，又能缩短整个测试过程时间。一直以来，加热速率对热膨胀系数测试结果的影响只是一个公认的常识，很少看到有专项研究对这种影响进行系统性考核试验和报道。如Jankula等人的研究中[1]，仅展示了不同加热速率会使相对热膨胀曲线之间产生偏移，如图1所示。即在较高加热速率下，温度在整个样品中的分布并不均匀，因此可以观察到相对膨胀的一些延迟。这种不同加热速率所带来的延迟效应在热分析测试中非常典型，可以在差热分析、热重分析和其他热分析技术中找到，但这种延迟性描述和表征并不直观，特别是在热膨胀系数测试中并不能直观描述加热速率的影响。图1 不同升温速率下砖坯样品的相对热膨胀变化曲线：2.5℃/分钟（灰色）和10℃/分钟（黑色）为了更直接和直观的描述加热速率对热膨胀系数测量的影响，Dulucheanu等人开展了这方面的专项研究[2]，具体的实验条件如下：（1）热膨胀仪：德国NETZSCH公司Expedis DIL 402-SUPREME膨胀仪；（2）样品材料：铁素体-马氏体结构双相钢；（3）样品尺寸：圆柱形样品，直径5mm，高度25mm；（4）加热温度范围：30~980℃；（5）测试温度范围：30~700℃；（6）加热速率：1、3、5、10和30℃/min；（7）试验气氛：氮气，流速100ml/min；（8）样品负载：200mN。在加热速率为3℃/min时，得到如图2所示的相对热膨胀曲线，并由此可计算得到30~100℃、30~200℃、30~300℃、30~400℃、30~500℃、30~600℃和30~700℃的平均线膨胀系数。图2 膨胀曲线和线性热膨胀系数（CTE），温度范围为30~700℃，加热速率为3℃/分钟分别采用不同加热速率进行测试，得到相应的平均线膨胀系数测试结果，数值形式如表1所示，曲线形式如图3所示。表1 不同加热速率下的平均线膨胀系数测试结果图3 平均线性热膨胀系数（CTE）随加热速率和温度范围的变化从这个直观的系列性验证试验可以看出，由于被测样品材料的内部结构和热物理性能，加热速率会对热膨胀系数测试结果产生明显影响，加热速率这一试验参数的选择不当会造成热膨胀系数测量误差极大。因此，在实际测试过程中，要根据被测材料结构和热物理性能，选择合理的加热速率。参考文献[1] Jankula M, ŠÍN P, PODOBA R, et al. Typical problems in push-rod dilatometry analysis[J]. Epitoanyag-Journal of Silicate Based & Composite Materials, 2013, 65（1）[2] C. Dulucheanu, T. Severin, M. Băeșu, The Influence of Heating Rate on the Coefficient of Linear Thermal Expansion of a 0.087% C and 0.511% Mn Steel, TEHNOMUS.