金属材料热膨胀特性参数测定装置的开发及应用

卫志清, 顾佳伟, 何 龙, 张 璐, 卢星罡, 王德泰, 乐金涛

(1.上海金相机械设备有限公司, 上海 201411；2.上海新闵重型锻造有限公司, 上海 201109;3.中国仪器仪表学会试验机分会, 北京 100088)

材料在高低温度环境和特殊环境下均会发生力学性能和物理性能的变化。金属材料热膨胀特性作为材料的固有性质，是描述材料随温度变化而产生的热胀冷缩现象的量化指标，属于材料基本的热物理参数，是材料内部晶格结构与晶格作用力的外在表现。由于因温度变化而引起设备零部件几何尺寸的变化，引起零部件产生热应力，导致产品出现故障甚至损坏的情况越来越突出，所以对常用材料开展热膨胀特性的检测和研究及准确地测定材料的热膨胀特性参数，对于材料基础研究和工程应用都具有重要的意义[1]。

金属材料料热膨胀特性参数主要是指热膨胀系数。目前对于金属材料热膨胀系数的测定有多种方法和装置，如使用激光干涉膨胀仪、顶杆膨胀仪、衍射膨胀装置、显微膨胀装置等。其中顶杆法属于经典的测定方法，其是采用机械测量原理，将试样的一端固定，另一端与顶杆(石英)接触，试样加热时，热膨胀值通过顶杆传递出来，进而可以被测得[2]。

目前市场上符合用户需求和技术条件的测定金属材料热膨胀特征参数的仪器非常少，从非标准设备走向标准化定型设备，还有许多工作要做。

某公司几十年来生产了大量的压力容器、火力发电机组、核能发电机组、军工设备等钢制锻件，涉及到近三百种牌号的钢。近年来为了提升我国高端装备制造中锻件制造能力，公司理化室开展许多材料性能方面的研究工作以满足锻件成形质量的要求。公司理化室在检测某些合金材料时，被要求提供恒定温度状态下该合金材料的膨胀参数值。为保证材料合格率，以试验数据为依据，根据GB/T 4339—2008《金属材料热膨胀特征参数的测定》和ASTM E228：2017StandardTestMethodforLinearThermalExpansionofSolidMaterialsWithaPush-RodDilatometer等的技术要求进行零部件选材、加工等，并对测定金属材料冷热膨胀特性参数的装置进行了开发。

1 金属材料热膨胀特性参数测定的术语和定义

GB/T 4339—2008将金属材料热膨胀特性参数的测定描述为采用步进式变温方式或缓慢恒速变温方式对温度进行控制，利用推杆式熔融石英膨胀仪检测作为温度函数的固体材料试样相对于其载体的长度变化。

1.1 线性热膨胀系数

线性热膨胀系数是指与温度变化相应的试样长度变化与试样在环境温度下原始长度之比，用ΔL/L0表示。其中：ΔL是从起始温度t1至所需温度t2间观察到的长度变化;L0是环境温度t0下试样的原始长度。线性热膨胀常以百分几或百万分之几(10-6)表示，一般以20 ℃为起始温度。

1.2 平均线膨胀系数

平均线膨胀系数为在温度t1和t2之间，与温度变化1 ℃相应的试样长度相对变化αm，表示为

(1)

式中：t1,t2为测定中选取的两个温度，℃；L2为温度t2下的试样长度，mm；L1为温度t1下的试样长度，mm。

由式(1)可见，αm是线性热膨胀系数(ΔL/L0)与温度变化(Δt)的商，单位一般为℃-1。

1.3 瞬间线膨胀系数

瞬间线膨胀系数为在温度t下，与温度变化1 ℃相应的线性热膨胀值αt，表示为

(2)

式中：αt为温度t下的热膨胀率，℃-1；Li为指定温度ti下的试样长度，mm。

2 试样制备及精加工设备

由于材料热膨胀量相对较少，所以对试样端面与推杆的接触面的加工精度和表面粗糙度的要求较高。考虑到试样横向尺寸比较小，一般加工设备较难满足试样装夹和加工的要求，因此在试验室现有的自动金相制样设备上自行设计、改装专用的压力夹盘，通过对不同转速的控制、不同规格砂纸的替换，以及对经粗加工的试样进行精加工，保证试样端面的加工精度和表面粗糙度满足试验要求。GB/T 4339-2008和某公司理化室对试样尺寸的要求如表1所示。

表1 热膨胀特性参数测试试样尺寸

开发的精加工制样机如图1～3所示，其是自动控制的研磨、抛光设备，适用于各类金相或其他试样的精密制样。该制样机机身采用ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)材料一体成形，具有较高的耐腐蚀性能；采用7寸高清LCD液晶触摸屏操控和显示，可以根据不同试样设置不同的制样参数，且能存储十几种磨抛程序，操作简便、清晰直观。自动研磨系统可有效代替手工磨抛各道工序，有效地提高了磨抛质量和制样效率。

图1 精加工制样机

图2 制样机压力夹盘

图3 制样机定制夹盘

精加工制样机有以下技术特点。采用中心压力、单点压力两种运行控制模式，可根据工况选择合适的控制模式；磨头电磁锁具有自动落锁功能，以确保磨头在使用过程中不晃动；磨头样盘与磨盘之间采用独特的运转贴合设计，有效地提高了磨抛质量；采用进口调压阀，保证了制样压力持续和稳定；试样夹盘采用半转设计，取放试样更方便；磨盘采用合金铝压铸成形，不易变形，可配合无级调速，支持正反转，底盘支撑筋肋的设计确保了磨盘精密的回转平衡性能；采用磁性盘设计，试样夹盘可快速装卸转换，灵活转换不同规格的夹盘；垫板喷涂特氟龙，更换砂纸和抛光布时无残留痕迹；采用自动研磨系统控制，具有定时、定速及水系统自动启闭功能，可有效地代替手工磨抛。

表2 YMPZ-1-250型精加工制样机主要参数

3 金属材料冷热膨胀特性参数测定装置

3.1 主体框架设计

冷热膨胀特性测定装置主体框架采用四立柱铝合金支撑，底盘钢板厚度为20 mm，与立柱之间用M16 mm螺丝固定，上方用铝合金钢构成四方体与四立柱相连接，各连接点相互牵制，保证整体框架具有较强刚性。底盘四处边缘安装避震橡胶垫，以减少外界冲击对冷热膨胀特性试验的影响。上方横跨的两根钢杆为安装测试试样微量变化的微量变形测量系统和悬挂放置被测试样的试样仓所设的。金属材料冷热膨胀特性参数测定装置如图4所示。

图4 金属材料冷热膨胀特性参数测定装置图

3.2 恒温式冷热试样环境箱

金属材料冷热膨胀微量变化受环境温度变化影响。对环境温度箱的设计采用了简便、易加工的试验容器，呈圆筒状，其直径为φ120 mm、高度为140 mm、壁厚为5 mm；底盘采用细牙螺纹，密封面采用耐热橡胶密封圈，底盘中心为杯状结构并用螺栓连接主体框架底盘。容器盖板与容器筒体采用螺纹配合，以方便试样的放置。盖板上方圆孔包含以下功能。(1)保证中心孔与底盘中心基本保持同一轴心；(2)可以穿过测温热电偶；(3)冰、二氧化碳、液氮等介质的灌入和输出；(4)可插入电热棒加热液体介质。

3.3 试样仓

试样仓是测定金属材料膨胀系数的核心装置，为金属材料冷热膨胀被测试样存放的载体，其基本结构如图5所示。其中陶瓷管底部采用堵头封口，离堵头端20 mm处设置30 mm×5 mm的长方形观察窗口；陶瓷管内放置φ6 mm×200 mm的圆柱体石英推杆，推杆与陶瓷管内壁保证一定间隙，以提高检测精度；被测试样为φ6～7 mm×55～70 mm的圆柱体[3-4]。

图5 试样仓基本结构示意图

3.4 温度显示

热膨胀特性参数测定装置的冷热介质有冰水混合物、酒精加二氧化碳混合物、酒精加液氮混合物、液氮、水加热等，采用K型热电偶作为测温传感器。温度控制涉及介质种类、环境箱体积大小、升温或降温速率、保温时间等。

3.5 微量变形测定系统

金属材料冷热膨胀测定系统中的微量变形测量机采用相对稳定的机械检测方法；将计量合格的千分表顶在试样仓石英顶杆平面上，可以随时观察金属材料冷热膨胀的微量变化。微量变形测定系统的灵敏度和测定精度满足长度测定精确的要求[5]。

4 金属材料热膨胀系数的测定

采用开发的热膨胀特性参数测定装置在20～100 ℃和2～18 ℃下分别测定了钢、铜、铝基金属材料的试样长度变化量和100 ℃下的线性热膨胀系数，结果如表3和表4所示。

表3 采用开发的热膨胀特性参数测定装置在20～100 ℃下测得的不同金属材料的试样长度变化量和线性热膨胀系数

表4 采用开发的热膨胀特性参数测定装置在2～18 ℃下测得的不同金属材料的试样长度变化量

采用开发的热膨胀特性参数测定装置对钢和纯铜在-196 ℃液氮条件下测得的线性热膨胀系数如表5所示。

表5 采用开发的热膨胀特性参数测定装置在-196 ℃液氮条件下测得的不同金属材料的线性热膨胀系数

由表3～5可知，开发的热膨胀特性参数测定装置基本符合GB/T 4339—2008及ASTM E228：2017中的相关技术要求，也证明了铁基材料、铜基材料、铝基材料3种金属材料在相同条件下测得的线性热膨胀值是有差异的。

5 分析与讨论

自行研制了在恒定温度条件下测定金属材料热膨胀特性参数的装置，并测定了几种金属材料的线性热膨胀系数，试验结果表明，该装置基本符合GB/T 4339-2008及ASTM E228：2017中的相关技术要求。

装置中的试样仓材料与标准中推荐的石英材料略有不同，采用了相似牌号的高温热电偶陶瓷材料，试样推顶杆采用了进口石英材料。资料证明高温热电偶陶瓷管的冷热膨胀系数基本不变，通过对试验数据的统计分析可知，选用的试样仓材料完全能够满足使用要求。

开发的热膨胀特性参数测定装置目前还无法提供平均线膨胀系数(αm)和热膨胀率(αt)等参数的测定，因为该套装置目前还无法实现控制试验温度单位间隔在1 ℃。该装置还需提高温度控制的精度或范围，从恒温条件控制设定，提升到可以实现任意设置控制温度的水平。

6 结论

开发了在恒定温度条件下测定金属材料热膨胀特性参数的装置，并测定了几种金属材料的线性热膨胀系数，该装置基本符合GB/T 4339—2008及ASTM E228：2017中的相关技术要求，也证明了铁基材料、铜基材料、铝基材料3种金属材料在相同条件下测得的膨胀系数是有差异的。

GB/T 4339—2008中已经提供了不同温度下的热膨胀数据，开发的金属材料热膨胀特性参数测定装置测定的试验数据起到了一定的验证作用，可以提供某种金属材料恒定温度下的线性热膨胀系数，为特定产品的开发和设计提供技术支持。

通过测定材料膨胀系数随温度的变化来研究材料内部的物理反应，热膨胀特性参数的测定将在金属材料性能研究中发挥越来越大的作用，与其他测试方法联用(如微观组织分析)研究金属材料内部的反应机理和特征是未来热膨胀检测技术的发展趋势。