CN103048353B - 一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法，先测出金属丝在拉力F作用下以及在温度t₁时刻的长度(Δl_f+l)，再测出温度升到t₂时长度的增加量Δl_t；最后把数据代入得到线膨胀系数α。常温下在弹性限度内采用拉伸法很好地克服了弹性模量大、弯曲特性显著的金属丝能容易测量其线膨胀系数；加热源采用稳定可靠的通蒸气法，具有足够的恒温时间，受其他因素的干扰小；样品金属丝与测试组件之间易产生热阻，减少了相互影响带来的测量误差；结合CCD数据采集系统提高了测量精度；可以节省大量的测量材料，加热时容易使金属样品温度分布均匀。

Description

一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法

技术领域

本发明属于金属材料线膨胀系数测量技术领域，尤其涉及一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法。

背景技术

线膨胀系数是金属的力学性能重要性能之一，通常在常温下构建，在高温下使用时膨胀。为抵消热膨胀造成的应力，需预留膨胀缝。线膨胀系数对总尺寸结构设计计算的关键参数，材料内部热应力的分布和大小密切相关，必须考虑其线膨胀系数的匹配和差异对结构、性能的影响。此外，通过对材料线膨胀系数随温度变化曲线的测定，可以进行材料分析研究。

现有实验室用立式或卧式顶杆间接法对金属材料线膨胀系数的测量加热条件难于使温度分布均匀一致，顶杆和支持器之间的膨胀量难以相互抵消，所以膨胀的测量值需要校正、不节省测量样品，只适于线性良好没有弯曲的材料，而且对有弯曲特别是对弹性模量大的金属丝材料尚未发现有效的测量方法；电加热法中加热炉要有足够的恒温带，该方法的缺点是稳定性差。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提供了一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法，常温下在弹性限度内采用拉伸法很好地克服了弹性模量大、弯曲特性显著的金属丝能容易测量其线膨胀系数；加热源采用稳定可靠的通蒸气法；样品金属丝与测试组件之间易产生热阻，减少了相互影响带来的测量误差；结合CCD数据采集系统提高了测量精度。

本发明实施例是这样实现的，一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法，常温下在弹性限度内采用拉伸法，加热源采用稳定可靠的通蒸气法；该方法包括：

先测出金属丝在拉力F作用下以及在温度t₁时刻的长度(Δl_f+l)

再测出温度升到t₂时长度的增加量Δl_t；

最后把数据代入 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{l}_t}{(\mathrm{\Δ}{l}_f+l)(t_2-t_1)-\mathrm{\Δ}{l}_t{t}_1}$ 得到线膨胀系数α。

进一步，在常温下固体的长度l与温度t之间的关系：

l＝l₀(1+αt)    ......(1)

式中l₀为温度t＝0℃时的长度，在温度变化不大时，线膨胀系数α是一个常量。

进一步，根据式(1)可得：

Δl_f+l＝l₀(1+αt₁)    ......(2)

Δl_f+l+Δl_t＝l₀(1+αt₂)    ......(3)。

进一步，由(2)，(3)式相比消去l₀整理后得出：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{l}_t}{(\mathrm{\Δ}{l}_f+l)(t_2-t_1)-\mathrm{\Δ}{l}_t{t}_1}......\left(4\right).$

精度指标要求：用线胀系数的平均值α的标准不确定度表示结果；α误差小于等于±0.010×10^-5/℃。

进一步，测量结果：

对炭钢丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.058±0.002)×10^-5/℃；

对镍铬丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.264±0.005)×10^-5/℃；

对铜丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.680±0.010)×10^-5/℃。

本方案发明的高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法，先测出常温下金属丝的长度l与温度t以及温度t＝0℃时的长度l⁰；再测出金属丝在拉力F作用下的伸长量，以及在温度t₁时的长度(Δl_f+l)和温度升到t₂时长度的增加量Δl₁；最后通过消去l₀，用线胀系数的平均值α的标准不确定度表示结果，得到线膨胀系数α。常温下在弹性限度内采用拉伸法很好地克服了弹性模量大、弯曲特性显著的金属丝能容易测量其线膨胀系数；加热源采用稳定可靠的通蒸气法，具有足够的恒温时间，受其他因素的干扰小；样品金属丝与测试组件之间易产生热阻，减少了相互影响带来的测量误差；结合CCD数据采集系统提高了测量精度；可以节省大量的测量材料，加热时容易使金属样品温度分布均匀。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1提出了本发明实施案例提供的高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法，常温下在弹性限度内采用拉伸法，加热源采用稳定可靠的通蒸气法；该方法包括：

在步骤S101中，先测出金属丝在拉力F作用下以及在温度t₁时刻的长度(Δl_f+l)；

在步骤S102中，再测出温度升到t₂时长度的增加量Δl_t；

在步骤S103中，最后把数据代入 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{l}_t}{(\mathrm{\Δ}{l}_f+l)(t_2-t_1)-\mathrm{\Δ}{l}_t{t}_1}$ 得到线膨胀系数α。

在常温下固体的长度l与温度t之间的关系：

l＝l₀(1+αt)    ......(1)

式中l₀为温度t＝0℃时的长度，在温度变化不大时，线膨胀系数α是一个常量。根据式(1)可得：

Δl_f+l＝l₀(1+αt₁)    ......(2)

Δl_f+l+Δl_t＝l₀(1+αt₂)    ......(3)

由(2)，(3)式相比消去l₀整理后得出：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{l}_t}{(\mathrm{\Δ}{l}_f+l)(t_2-t_1)-\mathrm{\Δ}{l}_t{t}_1}......\left(4\right)$

精度指标要求：用线胀系数的平均值α的标准不确定度表示结果；α误差小于等于±0.010×10^-5/℃。

测量结果：

1.对炭钢丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.058±0.002)×10^-5/℃

2.对镍铬丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.264±0.005)×10^-5/℃

3.对铜丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.680±0.010)×10^-5/℃。

一、本发明的测量依据

1.在常温下固体的长度l与温度t之间的关系：

l＝l₀(1+αt)    ......(1)

式中l₀为温度t＝0℃时的长度，在温度变化不大时，线膨胀系数α是一个常量。

2.实际测量时金属丝在拉力F的作用下的伸长量记为Δl_f，设物体在温度t₁时的长度为(Δl_f+l)，温度升到t₂时，其长度增加Δl_t，根据式(1)可得：

Δl_f+l＝l₀(1+αt₁)    ......(2)

Δl_f+l+Δl_t＝l₀(1+αt₂)    ......(3)

由(2)，(3)式相比消去l₀整理后得出：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{l}_t}{(\mathrm{\Δ}{l}_f+l)(t_2-t_1)-\mathrm{\Δ}{l}_t{t}_1}......\left(4\right)$

二、本发明的测量仪器及设备

1.蒸汽发生器；

2.测量装置支架自备；

3.读数显微镜和CCD成像系统；

4.螺旋测微计(分度值0.01)；

5.测量样品。

三、本发明的技术方案

(一)控制测量

应满足以下条件：

1.在室温t₁℃压强为85.26KP a条件下，温度(0-100℃)；

2.根据金属丝的材料和线径在弹性限度内确定砝码质量大小和砝码精度范围；

3.碳钢丝镍铬丝铜丝

精度指标要求：

1.用线胀系数的平均值α的标准不确定度表示结果；

2.α误差小于等于±0.010×10^-5/℃。

(二)测量结果

1.对炭钢丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.058±0.002)×10^-5/℃

2.对镍铬丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.264±0.005)×10^-5/℃

3.对铜丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.680±0.010)×10^-5/℃

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高弹性模量金属丝材料线膨胀系数的测量方法，其特征在于，常温下在弹性限度内采用拉伸法，加热源采用通蒸气法；该方法包括：

先测出金属丝在拉力F作用下以及在温度t₁时刻的长度(Δl_f+l)；

再测出温度升到t₂时长度的增加量Δl_t；

最后把数据代入得到线膨胀系数α；

在常温下固体的长度l与温度t之间的关系：

l＝l₀(1+αt)             ……(1)

式中l₀为温度t＝0℃时的长度，在温度变化不大时，线膨胀系数α是一个常量；

根据式(1)可得：

Δl_f+l＝l₀(1+αt₁)         ……(2)

Δl_f+l+Δl_t＝l₀(1+αt₂)  ……(3)；

由(2)，(3)式相比消去l₀整理后得出：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δl}}_t}{({\mathrm{\Δl}}_f+l)(t_2-t_1)-{\mathrm{\Δl}}_t{t}_1}......\left(4\right);$

精度指标要求：用线胀系数的平均值α的标准不确定度表示结果；α误差小于等于±0.010×10^-5/℃；

测量结果：

对炭钢丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.058±0.002)×10^-5/℃；

对镍铬丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.264±0.005)×10^-5/℃；

对铜丝，线胀系数的平均值α的标准不确定度为：

最终结果为：

α＝(1.680±0.010)×10^-5/℃。