第1-4讲-膨胀..ppt

何谓膨胀合金?,2.膨胀合金的特点与机理是什么?,1.3材料的热膨胀概述(意义:工程技术中的应用+科学研究中的重要方法),一,材料膨胀性能的工业应用：膨胀合金包括低膨胀合金、定膨胀合金。低膨胀合金(因瓦型合金(Invaralloy)的特点是，在温度变化时其长度变化很小，能保持尺寸的稳定性，故可用来制造标准量尺、精密天平、标准电容及标淮频率计的谐振腔等。定膨胀合金的特点是，在规定的温度范围内具有一定的膨胀系数，主要用于和陶瓷、玻璃封接而构成电真空器件的结构材料，如大功率管的阴极、阳极引出线等。,软磁合金永磁合金弹性合金膨胀合金热双金属电性合金耐蚀合金高温合金难熔合金钎焊合金,磁补偿合金：具有改善磁性能受温度而引起的变化，以保证仪表的精确性。主要成份：镍3740%，铬1214%，铁余量。,可伐合金，中国牌号为4J29等牌号，本合金含镍29%，钴18%的硬玻璃铁基封接合金。该合金在20450范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数和相应的硬玻璃能进行有效封接匹配，广泛用于汽车灯及电真空工业。中国牌号4J系列膨胀合金。（供线材与带材）,产品名称：杜美丝芯合金(膨胀合金)规格型号：4J43执行标准：YB/T5236-93包装：纸箱20kg/箱用途：用于生产杜美丝、制作电子管、灯炮及半导体器件与软玻璃匹配封接的引出线。,低膨胀合金的应用领域：,精密仪器仪表,如：天文仪器构件、精密天平臂杆、标准量具、标准钟摆轮、摆杆。低温容器,如：液态天然气贮罐、液氢、液氧贮罐、液态天然气输送管道。微波通讯,如：谐振腔、波导管、标准频率发生器、波长计。可变电容,如：可变电容叶片、支撑杆、温度补偿线。,热双金属片是由热膨胀系数差别很大的两种合金组成的，利用其在温度变化时弯曲的特点达到自动控制的目的。,热双金属片,电阻系列热双金属（电阻三金属）电阻系列热双金属（电阻三金属）是在热双金属高、低膨胀层之间增加一层材料，以调节电阻率，起电流分流作用。主要用于大额定电流及某些电器产品标准化、系列化、小型化情况下的过载保护与控制。,品种与规格：冷轧钢带0.21.220200,低膨胀合金发展简况,IInvar36:ChemicalCompositionsCMnSPSiCrNiFe0.100.500.0040.0060.350.2536.0BalanceInvar36isaNickel-Iron,lowexpansionalloycontaining36%Nickel,belongstooneofthecontrolledexpansionalloyswiththelowestthermalexpansioncoefficientofanyoftheiron-nickelalloys.Itiswidelyusedintheelectronicsindustrysuchasradios,thermostats(自动调温器),glass-to-metalsealsandstructuralcomponentsinlasersystems.,Kovaralloyisavacuummelted,iron-nickel-cobaltalloythatiswidelyusedintheelectronicsindustry.Inthesemiconductorindustryitisusedinhermeticallysealedpackagesforbothintegratedanddiscretecircuitdevices.Italsobelongstoakindoflowexpansionglasssealingalloysuitableforsealingtohardglasses.,(F)PrincipleoftheInvareffect,1.热膨胀的物理本质是什么?,3.何谓线膨胀系数?它与哪些物理量有关系?为什么?,2.低膨胀合金（Invaralloy，Kovaralloy）的机理是什么？,4.钢组织的膨胀系数有何特性？,Ep+Ek=C,1.3热膨胀的物理本质及其基本概念,1.3.1热膨胀的物理本质：原子的非简谐振动,1.3.2膨胀性能的基本概念,平均线膨胀系数:真线膨胀系数膨胀曲线:l=f(T)几种典型材料的线膨胀系数(RT):石英玻璃:0.510-6/K。铁:1210-6/K高温纳灯所用的封接导电材料:金属铌T=7.810-6/KAl2O3灯管T=810-6/K。,l,T,T1,T2,l1,l2,lT,T,膨胀曲线,1.3.3膨胀系数与其它物理性能的关系,1.与热容的关系：格律乃森(Gruneisen)由晶格热振动理论:V=rCV/(EVV);立方晶系:l=rCV/(3EVV)r为格律乃森常数(r约在1.52.5间);EV是体弹模量。线膨胀系数与热容随温度T的变化关系定性一致。因温度升高，热振动加剧，升高单位温度的能量也增高。,格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程TmV=(VTm-V0)/V0=C；其中,VTm和V0分别为熔点和0K时金属的体积。C为常数，多数立方和六方晶格金属取0.060.076。即固态金属的体热膨胀极限方程：(VTm-V0)/V0=C6%6.7%。线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式：lTm0.022,2.与熔点的经验公式：,l=b/(V2/3MD2);原子间结合力与D2成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。,石英玻璃的值约0.510-6/K,而F铁为1210-6/K.,具有一定的周期性:IA族元素的值随Z增加而增大,其余A族元素的值则随Z增加而减小.这与键有关.碱金属值高,过渡族元素值低.与原子结合力有关.,4.与原子序数的关系:,3.与德拜温度的关系：,1.3.4影响膨胀性能的因素,(化学成分、晶体结构、结合键、相变等）1.相变的影响：一级相变的比容有突变,膨胀系数在转变点无限大.一级相变特点：体积、比容、焓有突变，伴有潜热发生。如三态转变，同素异构转变等属于一级相变。二级相变在相变温区内膨胀系数曲线上有拐点.二级相变无体积突变和相变潜热，但膨胀系数和比热容有突变。,图为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气气氛下以5/min测量。在960（曲线峰值）和1409出现晶体结构变化（bcc-fcc-bcc）。,2.晶型转变。室温下ZrO2晶体是单斜晶型。温度高于1000度时转为四方晶型，体积收缩4%。严重影响应用。加入MgO,CaO,Y2O3等稳定剂后，在高温与ZrO2形成立方晶型的固溶体。不到2000度不发生晶型转变。,T/,纯ZrO2,完全稳定化ZrO2,CaO8%ZrO2,1200,400,l/l,(b).ZrO2的膨胀曲线,3.有序-无序转变:如Au-Cu有序合金加热到300时有序开始破坏。达480时完全无序化。拐折点对应有序无序转变的上临界温度，常称有序-无序转变温度。Cu-Zn合金成分接近CuZn时，形成具有体心立方点阵的固溶体，低温时为有序状态，铜原子在每个单胞的结点上，锌原子在中心。随T升高逐渐转变为无序，吸收热量。属于二级相变。,(a).有序无序转变膨胀曲线,4.铁磁性转变：多数金属和合金的膨胀系数随温度的变化规律与热容一样按T3规律变化。铁磁金属和合金会出现反常膨胀。目前解释是磁致伸缩抵消了合金的热膨胀。具有负反常膨胀特性合金可用于获得膨胀系数为零或负值的因瓦(Invar)合金，或在一定温度范围内不变的可伐合金(Kovaralloy)。,Ni,Fe,Co,1000,600,1400,1200,T/K,680,520,920,（2）不同结构的物质原子间结合力与D2成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。通常结构紧密的晶体膨胀系数较大，而类似于无定型玻璃往往有较小的膨胀系数。多晶石英的值为1210-6/K；而无定型石英玻璃的值只有0.510-6/K。键强则热膨胀系数值高:石墨平行于c轴值为2710-6/K;而垂直与c轴的值为1.010-6/K。,钢的膨胀特性,钢的膨胀特性取决于组成相的性质和数量。钢的组织中马氏体比容最大，奥氏体最小，铁素体和珠光体居中。而马氏体，珠光体和奥氏体的比容都随含碳量的增加而增大。铁素体和渗碳体的比容有固定值。钢的线膨胀系数则相反，奥氏体最大，铁素体和珠光体次之，马氏体最小。,1.3.4膨胀的测量,膨胀测量是材料热性能研究的一种物理方法。材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征，通常检测其平均线膨胀，核心在于精确测量在特定温区内的热膨胀量。由于理论和低温研究的需要，热膨胀测量在高灵敏度(l/l10-12)、高精度方面发展较快；工业上的膨胀测量向自动化和快速反映方向发展。微机的应用使精度和自动化程度得到提高。热膨胀在快速冷却，加热的热循环中，对研究材料组织结构转变具有独特作用。膨胀的测量方法：光学式，电测式，机械式。,德国耐驰仪器制造有限公司上海代表处,主要技术指标工作温度：室温1600；灵敏度：1.25nm/digit;升温速率：0.110/min;样品状态：固体、粉末、液态;样品大小：长50mm(max)直径：12mm(max);测试气氛：真空（10-4mbar）、静态、动态（可用惰性或反应气体）。,ULTRAHIGHTEMPERATUREDILATOMETER,Ambientto2000/2500/2800CSingleordualsampleResearchqualitySinteringstudiesFullrangeopticalpyrometer(光测高温计)VacuumorinertatmosphereFullyautomaticoperationwithWindowssoftware(PCnotincluded),左图显示的是氮化硅生料的热膨胀和膨胀速率微分曲线。由于烧结添加剂的影响，材料在1201开始了烧结过程。主要的收缩过程发生在1424（外推起始点）。在1760以上的效应则由添加剂的挥发引起。,应用实例:氮化硅由于其出色的热性能和机械特性，氮化硅正日益成为高科技领域中的常用材料之一（如作为汽车引擎的阀门）。当然，生产与烧结工艺对于最终成品的性能有着决定性的影响。,LaserInterferometryTypeThermalExpansionMeter,Itsmeasurementaccuracyisashighas2nmasagainst+/-1umwhichisobtainablebytheconventionalpushrodtypedilatometer.,1.光学膨胀仪的基本原理是什么?2.标准样的功能是什么?对标准样有何要求?,示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪有何优点?光干涉法膨胀仪的基本原理是什么?(光的干涉条件是什么?如何实现?如何计算试样的膨胀量?)电感式膨胀仪的基本原理是什么?有何特点?,常用的膨胀仪,1.光学膨胀仪,光学膨胀仪是物理冶金中常用的膨胀仪。其基本原理是利用光杠杆放大试样的膨胀量，并用标准样的伸长标出温度。又通过照相方法自动记录膨胀曲线。放大倍数可达200800倍通常可分为：(1).普通光学膨胀仪(测定膨胀系数)(2).示差光学膨胀仪(灵敏度和精确度更高，适于测定临界点),膨胀仪按原理可分为：光学式，电测式，机械式。,注：（1）A点用铰链固定。AC垂直；AB水平。（2）借助光路的多次反射可延长反射镜和感光纸的距离，以达到所需放大倍数(200,400,800倍)。,(一).普通光学膨胀仪光杠杆式膨胀原理图：,共析钢膨胀曲线示意图:,共析钢,标准样的要求：其膨胀量与温度成正比；在测量范围内无相变,不易氧化；导热系数接近待测样。与试样的形状和尺寸相同.标准样的选择：较低温度方围研究有色金属和合金时，常用铜和铝纯金属做标准样；研究钢材时，研究钢的标样可采用皮洛斯合金（PYROSalloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).稳定性好，1000度以下无相变，膨胀系数由12.2710-6/K均匀增加到21.2410-6/K。较石英传动杆的线膨胀系数约0.510-6/K。,(二)示差光学膨胀仪：（试样与标样热膨胀的相对差值的方法）,标样功能：水平分量指示温度；纵向分量抵消试样的膨胀量，尤其是试样组织未转变前的膨胀量。从而使膨胀量的范围缩小，提高了测量精度和灵敏度。很适用于分析金属内部组织变化。,光干涉法膨胀仪干涉条件:两列频率相同,位相差恒定的波相遇而干涉。膨胀量：l=N/2;N由光敏元件和计数器连续测定。优点：精度高（光波长在0.1微米量级)。缺点：装置设计要求高。,上下干涉板,试样,半透镜,光敏元件,计数器,记录仪,光干涉法膨胀仪示意图,2.电测式膨胀仪,将膨胀量转换为电讯号，然后进行电讯号的记录，数据处理和画出膨胀曲线。(包括应变电阻式膨胀仪，电容式膨胀仪和电感式膨胀仪)。电感式膨胀仪原理:采用差动变压器原理将试样的膨胀量转换为电信号（放大倍数可达到6000倍）。特点：试样可采用真空高频加热，加热速度可控制在500/s以下范围。试样冷却可以选用小电流加热自然冷却和强力喷气冷却三种冷却方式。加热温度和冷却速度易于自动化和计算机控制和数据处理。近年来，较为先进的全自动快速膨胀仪膨胀量转换采用的就是差动变压器原理。缺点：易受电磁因素的干扰。变压器电源采用200400Hz以防止工业网的干扰。,电感式膨胀仪测量原理,差动变压器原理图,试样,加热炉,控温仪,差动变压器,恒温箱,放大器,记录仪,膨胀仪结构方框图,组成：初级，次级线圈和磁芯构成。初级和次级线圈绕在同一绝缘管上,次级线圈由两段完全相同的绕组反向的先圈串接而成。它们相对初级线圈完全对称。磁芯处在中间位置时，反接的次级线圈的感生电动势相互抵消。磁芯偏离中间位置差动变压器信号与磁芯偏离量呈线性关系。,3.机械式膨胀仪,(1).千分表式膨胀仪(2).杠杆式膨胀仪将膨胀量转移到千分表或利用杠杆作用放大.,1.3.4膨胀分析的应用（组织转变体积效应）,1。确定钢的组织转变温度：,温度变化（无相变）正常膨胀,组织变化导致附加膨胀,钢加热,ae段:珠光体转变为奥氏体eb段：铁素体溶解于奥氏体,注：在确定钢组织转变临界点时，为使结果有可比性，除对钢的成分有严格要求外，还有下列要求：1。原始组织应相同，常用退火态，晶粒度相同。2。相同加热及冷却速度(一般小于200C/h，高合金钢冷却速度小于120C/h3。奥氏体化温度和保温时间按要求保持一致。,1)。转变点的测定,l,T/,Ac1,Ar1,Accm,Arcm,共析钢,过共析钢,ab:珠光体转变为奥氏体；bc:铁素体溶解于奥氏体；,二次渗碳体的存在使高温区膨胀曲线明显拐折；奥氏体膨胀系数比珠光体大导致斜率增大；二次渗碳体不断溶解，使奥氏体含碳量增高，比容增大，使Arcm两旁斜率不同。,c,b,亚共析钢,a,Ac1,Ac3,Ar1,Ar3,l,T/,2).钢膨胀曲线的分析,2.研究钢的等温转变,（1）测定过冷奥氏体等温转变的动力学曲线试样：退化状态的材料制备试样。奥氏体化温度：Ac1+(3050);或生产中实际淬火温度。保温时间：由试样大小定；(直径3毫米在空气中保温510分钟)。等温转变过程：经奥氏体化后，立即冷却到等温温度；同时膨胀仪也从记录膨胀和温度的关系切换到记录膨胀和时间的关系。等温条件下试样的伸长和组织转变