1314金属线膨胀系数的测量
金属线膨胀系数的测量
加灰色底纹部分是预习报告必写部分
实验项目类型:基础验证性
绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性,这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中,在机械和仪器的制造中,在材料的加工(如焊接)中,都应考虑到。否则,将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当,甚至会造成工程的损毁,仪表的失灵,以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
【实验目的】
学习测量金属线膨胀系数的一种方法。
【实验仪器】
金属线膨胀系数测量实验装置、FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台、 游标卡尺、千分表、待测金属杆
金属线膨胀系数测量的实验装置如图1所示 内有加热引线和温度传感器引线
图1
FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台面板如图2所示
图2 【实验原理】
材料的线膨胀是材料受热膨胀时,在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料,少不了要对材料线胀系数做测定。
固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明,在一定的温度范围内,原长为L的物体,受热后其伸长量L与其温度的增加量T近似成正比,与原长L亦成正比,即
L = LT (1) 式中的比例系数称为固体的线膨胀系数(简称线胀系数)。大量实验表明,不同材料的线胀系数不同,塑料的线胀系数最大,金属次之,殷钢、熔凝石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。
实验还发现,同一材料在不同温度区域,其线胀系数不一定相同。某些合金,在金相组织发生变化的温度附近,同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是,在温度变化不大的范围内,线胀系数仍可认为是一常量。
为测量线胀系数,我们将材料做成条状或杆状。由(1)式可知,测量出T1时杆长L(一般,杆在T1时的长度L可以近似等于杆在常温时的长度)、受热后温度达T2时的伸长量L和受热前后的温度T1及T2,则该材料在(T1,T2)温区的线胀系数为:
其物理意义是固体材料在(T1,T2)温区内,温度每升高一度时材料的相对伸长量,其单位为(C)1。
测线胀系数的主要问题是如何测伸长量L。而L是很微小的,如当L≈250mm,温度变化T2T1≈100℃,金属的a数量级为10
5
(C)1时,可估算出L≈0.25mm。对于这么
微小的伸长量,用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表(分度值为0.001mm)、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法。本实验中采用千分表测微小的线胀量。
千分表是一种通过齿轮的多极增速作用,把一微小的位移,转换为读数圆盘上指针的读数变化的微小长度测量工具,它的传动原理如图3所示,结构如图4所示,
千分表在使用前,都需要进行调零,调零方法是:在测头无伸缩时,松开“调零固定旋钮”,旋转表壳,使主表盘的零刻度对准主指针,然后固定“调零固定旋钮”。调零好后,毫米指针与主指针都应该对准相应的0刻度。
千分表的读数方法:本实验中使用的千分表,其测量范围是0-1mm。当测杆伸缩0.1mm时,主指针转动一周,且毫米指针转动一小格,而表盘被分成了100个小格,所以主指针可以精确到0.1mm的1/100,即0.001mm,可以估读到0.0001mm。即:
1
59.8=0.2598 mm 1000
例如:图5中千分表读数为:0.2+
图4 图5
P:带齿条的测杆; Z1~Z5:传动齿轮;
R:读数指针 图 3
挡帽
主指针
调零固定旋钮
表壳 主表盘
毫米指针
毫米表盘
轴套
测杆 测头
【实验步骤】
1、如图1所示,卸下三个下盘支撑螺钉,安装好实验装置,连接好电缆线。将铜杆插人加热盘的恒温腔,使其完全在恒温腔内部,将“可调顶紧螺旋”的尖端靠拢铜杆一端,千分表(已调零好)测头靠拢铜杆的另一端,锁紧“千分表固定螺钉”,旋动“可调顶紧螺旋”,直到千分表的指针微有旋转(约0.2—0.3mm)。打开电源开关,“测量选择”开关旋至“设定温度”档,调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮,选择设定加热盘为所需的温度(如40.0℃)值。
2、将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档,打开加热开关,观察加热盘温度的变化,直至温度稳定,此时加热盘可能达不到设定温度,可适当调节“设定温度细选”使其温度达到所需的温度(如40.0℃),这时给加热盘设定的温度要高于所需的温度(如40.0℃),把此时温度计为T1,读出千分表数值L1。
3、重复步骤2,将设定温度依次递增5C,且递增9次(如依次为45℃、50℃、55.0℃、60.0℃、65.0℃、70.0℃、75.0℃、80.0℃、85℃),随着温度的上升,千分表开始旋转,当温度达到某一设定值后,千分表停止动作,依次记下此时的温度值(T2、T3、T4、T5、T6、。 T7、T8、T9、T10)及千分表相应的读数(L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10)4、用逐差法求出温度每升高5℃时铜杆的平均伸长量,由(2)式即可求出铜杆在这个温区(如40.0℃,85.0℃)内的线胀系数。
【注意事项】
1、千分表安装须适当固定 (以表头无转动为准)且与被测物体有良好的接触(读数在0.2
—0.3mm处较为适宜);
2、因伸长量极小,故仪器不应有振动;
3、千分表测头需保持与实验样品在同一直线上。
【思考题】
1、试分析哪一个量是影响实验结果精度的主要因素?
2、试举出几个在日常生活和工程技术中应用线胀系数的实例。
3、若实验中加热时间过长,仪器支架受热膨胀,对实验结果有何影响?