材料的热膨胀系数

江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第1页共8页热膨胀系数物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p一定)下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，即热膨胀系数表示。线胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其某一方向上的长度的变化和它在20℃（即标准实验室环境）时的长度的比值。各物体的线胀系数不同，一般金属的线胀系数单位为1/摄氏度。大多数情况之下，此系数为正值。也就是说温度变化与长度变化成正比，温度升高体积扩大。但是也有例外，如水在0到4摄氏度之间，会出现负膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。中文名：热膨胀系数英文名：coefficientofthermalexpansion,CTE线膨胀系数：α=ΔL/(L*ΔT)面膨胀系数：β=ΔS/(S*ΔT)体膨胀系数：γ=ΔV/(V*ΔT)1.概述expansionthermalcoefficient热膨胀系数有线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。式中ΔL为所给长度变化ΔT下物体温度的改变，L为初始长度；ΔS为所给面积变化ΔT下物体温度的改变，S为初始面积；ΔV为所给体积变化ΔT下物体温度的改变，V为初始体积；严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求ΔV与ΔT无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。线热膨胀系数αL江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第2页共8页定义：温度升高1℃后，物体的相对伸长量。热膨胀系数并非常数，而是随温度稍有变化，随温度升高而增大。L1为原始长度，L2为升温后的尺寸，ΔL为变形量（L2-L1）T1为原始温度，T2为升温后的温度，ΔT为温差（T2-T1）()TLLTTLLL∆•∆=−•−=112112α由上，则可以导出钢材升温后的理论变形量11211112)(LTTLLTLLLL+−••=+∆••=+∆=αα体膨胀系数βαβ3)(12112≈−−=TTVVV温度变化不是很大时，α就成了常量，可以把固体和液体体积膨胀表示如下：Vt=V0(1+3αΔT)；而对理想气体，Vt=V0(1+0.00367ΔT)，Vt、V0分别为物体末态和初态的体积对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有Mrozowski算式：α=Aαc+(1-A)αa，αa,αc分别为a轴和c轴方向的热膨胀率，A被称为“结构端面”参数。2.热膨胀引起的尺寸变化计算方法例如：材质：SKD61，d=2、L=100mm的杆温度上升100℃时的尺寸变化量δ为：江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第3页共8页δ=热膨胀系数*全长*温度变化=10.8*10-6*100mm*100℃=0.108(mm)3.热膨胀系数的精密测试与测量能力溯源为了保证材料热膨胀系数国与国之间的量值统一和互认，国际计量局长度委员会（CCL）2004年启动过材料热膨胀系数的国际比对，有十几个国家参加了这个项目的国际比对。为应对国际比对，更为了统一与实现国内材料的热膨胀系数测量能力及热膨胀仪测量精度，经国家局批准在国家计量院(中国计量科学研究院)建立“材料热膨胀系数国家最高标准装置”，以满足量值统一及测试需求。该标准基于最小误差链原则，把相关量值直接溯源到国家基准单位，在-180度到2400度范围内提供最高达10E-8量级测量不确定度。4.金属膨胀系数测定温度条件及单位：20℃，(单位10-6/K或10-6/℃）备注：简单讲就是材料在变化1摄氏度时长度的相对变化量。膨胀系数实际就是：1MM长的材料在变化1摄氏度时长度变化了多少NM(纳米)。一般钢材的热膨胀系数为（10-20）×10-6/℃，系数越大在受热后变形则越大，反之则越小。比如：钢轨的线膨胀系数是：11.8nm/(mm×℃)，实际上就是指1mm(毫米)长的钢轨在温度变化1摄氏度时长度会变化11.8nm(纳米)。金属名称元素符号线性热膨胀系数金属名称元素符号线性热膨胀系数铍Be12.3铝Al23.2锑Sb10.5铅Pb29.3铜Cu17.5镉Cd41.0江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第4页共8页铬Cr6.2铁Fe12.2锗Ge6.0金Au14.2铱Ir6.5镁Mg26.0锰Mn23.0钼Mo5.2镍Ni13.0铂Pt9.0银Ag19.5锡Sn2.0常用金属材料的热膨胀系数材料Material10-6in./in.*/°F10-5in./in.*/°CHighLowHighLow锌及其合金Zinc&itsAlloysc19.310.83.51.9铅及其合金Lead&itsAlloysc16.314.42.92.6镁合金MagnesiumAlloysb16142.82.5铝及其合金Aluminum&itsAlloysc13.711.72.52.1锡及其合金Tin&itsAlloysc13-2.3-锡铝黄铜Tin&AluminumBrassesc11.810.32.11.8黄铜或铅黄铜Plain&LeadedBrassesc11.6102.11.8银Silverc10.9-2-铬镍耐热钢Cr-Ni-FeSuperalloysd10.59.21.91.7HeatResistantAlloys(cast)d10.56.41.91.1NodularorDuctileIrons(cast)c10.46.61.91.2不锈钢StainlessSteels(cast)d10.46.41.91.1锡青铜TinBronzes(cast)c10.3101.81.8奥氏体不锈钢AusteniticStainlessSteelsc10.291.81.6磷硅青铜PhosphorSiliconBronzesc10.29.61.81.7铜Coppersc9.8-1.8-Nickel-BaseSuperalloysd9.87.71.81.4铝青铜AluminumBronzes(cast)c9.591.71.6Cobalt-BaseSuperalloysd9.46.81.71.2铍（青）铜BerylliumCopperc9.3-1.7-Cupro-Nickels&NickelSilversc9.591.71.6镍及其合金Nickel&itsAlloysd9.26.81.71.2铬镍钴耐热钢Cr-Ni-Co-FeSuperalloysd9.181.61.4合金钢AlloySteelsd8.66.31.51.1CarbonFree-CuttingSteelsd8.48.11.51.5铸造合金钢AlloysSteels(cast)d8.381.51.4AgeHardenableStainlessSteelsd8.25.51.51金Goldc7.9-1.4-HighTemperatureSteelsd7.96.31.41.1UltraHighStrengthSteelsd7.65.71.41江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第5页共8页MalleableIronsc7.55.91.31.1TitaniumCarbideCermetd7.54.31.30.8WroughtIronsc7.4-1.3-钛及其合金Titanium&itsAlloysd7.14.91.30.9钴Cobaltd6.8-1.2-马氏体不锈钢MartensiticStainlessSteelsc6.55.51.21渗氮钢NitridingSteelsd6.5-1.2-钯Palladiumc6.5-1.2-铍Berylliumb6.4-1.1-ChromiumCarbideCermetc6.35.81.11钍Thoriumb6.2-1.1-铁素体不锈钢FerriticStainlessSteelsc65.81.11GrayIrons(cast)c6-1.1-BerylliumCarbided5.8-1-LowExpansionNickelAlloysc5.51.510.3Beryllia&Thoriae5.3-0.9-AluminaCermetsd5.24.70.90.8MolybdenumDisilicidec5.1-0.9-Rutheniumb5.1-0.9-Platinumc4.9-0.9-Vanadiumb4.8-0.9-Rhodiumb4.6-0.8-TantalumCarbided4.6-0.8-BoronNitrided4.3-0.8-铌及其合金Columbium&itsAlloys4.13.80.70.68TitaniumCarbided4.1-0.7-Steatitec43.30.70.6TungstenCarbideCermetc3.92.50.70.4铱Iridiumb3.8-0.7-AluminaCeramicsc3.73.10.70.6ZirconiumCarbided3.7-0.7-OsmiumandTantalumb3.6-0.6-锆及其合金Zirconium&itsAlloysb3.63.10.60.55Hafniumb3.4-0.6-Zirconiae3.1-0.6-钼及其合金Molybdenum&itsAlloys3.12.70.60.5SiliconCarbidee2.42.20.40.39钨Tungstenb2.2-0.4-ElectricalCeramicsc2-0.4-Zirconc1.81.30.30.2BoronCarbidee1.7-0.3-CarbonandGraphitec1.51.30.30.2江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第6页共8页5.常见液体的体膨胀系数测定温度条件及单位：20℃，(单位10-6/K或10-6/℃）备注：简单讲就是液体在变化1摄氏度时体积的相对变化量。汞（水银）0.00018水0.000208丙三醇（甘油）0.00050浓硫酸0.00055乙二醇0.00057苯胺0.00085二甲苯0.00085汽油0.00095松节油0.00100煤油0.00100甲苯0.00108乙醇（酒精）0.00109乙酸0.00110溴0.00110正辛烷0.00114三氯乙烯0.00117甲醇0.00118二硫化碳0.00119四氯化碳0.00122正庚烷0.00124苯0.00125氯仿0.00127乙酸乙酯0.00138丙酮0.00143乙醚0.00160江西省登望科技有限公司JIANGXIDENWONSCI-TECHCO.,LTD.第7页共8页不同温度下金属材料的线膨胀系数一览表材料在下列温度与20℃之间的平均线膨胀系数，“α”，10-6×℃-1-196-150-100-50050100150200250300350400450500550600650700750800碳素钢、碳钼钢、低铬钼钢（至Cr3Mo）9.19.449.8910.3910.7611.1211.5311.8812.2512.5612.9013.2413.5813.9314.2214.4214.6214.7414.9015.02—铬钼钢（Cr5Mo～Cr9Mo）8.468.909.369.7710.1610.5210.9111.1511.3911.6611.9012.1512.3812.6312.8613.0513.1813.3513.4813.58—奥氏体不锈钢（Cr18-Ni9