金屬材料熱膨脹特性參數(shù)測定裝置的開發(fā)及應(yīng)用

衛(wèi)志清, 顧佳偉, 何 龍, 張 璐, 盧星罡, 王德泰, 樂金濤

(1.上海金相機械設(shè)備有限公司, 上海 201411；2.上海新閔重型鍛造有限公司, 上海 201109;3.中國儀器儀表學(xué)會試驗機分會, 北京 100088)

材料在高低溫度環(huán)境和特殊環(huán)境下均會發(fā)生力學(xué)性能和物理性能的變化。金屬材料熱膨脹特性作為材料的固有性質(zhì)，是描述材料隨溫度變化而產(chǎn)生的熱脹冷縮現(xiàn)象的量化指標，屬于材料基本的熱物理參數(shù)，是材料內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)與晶格作用力的外在表現(xiàn)。由于因溫度變化而引起設(shè)備零部件幾何尺寸的變化，引起零部件產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障甚至損壞的情況越來越突出，所以對常用材料開展熱膨脹特性的檢測和研究及準確地測定材料的熱膨脹特性參數(shù)，對于材料基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用都具有重要的意義[1]。

金屬材料料熱膨脹特性參數(shù)主要是指熱膨脹系數(shù)。目前對于金屬材料熱膨脹系數(shù)的測定有多種方法和裝置，如使用激光干涉膨脹儀、頂桿膨脹儀、衍射膨脹裝置、顯微膨脹裝置等。其中頂桿法屬于經(jīng)典的測定方法，其是采用機械測量原理，將試樣的一端固定，另一端與頂桿(石英)接觸，試樣加熱時，熱膨脹值通過頂桿傳遞出來，進而可以被測得[2]。

目前市場上符合用戶需求和技術(shù)條件的測定金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的儀器非常少，從非標準設(shè)備走向標準化定型設(shè)備，還有許多工作要做。

某公司幾十年來生產(chǎn)了大量的壓力容器、火力發(fā)電機組、核能發(fā)電機組、軍工設(shè)備等鋼制鍛件，涉及到近三百種牌號的鋼。近年來為了提升我國高端裝備制造中鍛件制造能力，公司理化室開展許多材料性能方面的研究工作以滿足鍛件成形質(zhì)量的要求。公司理化室在檢測某些合金材料時，被要求提供恒定溫度狀態(tài)下該合金材料的膨脹參數(shù)值。為保證材料合格率，以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)GB/T 4339—2008《金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測定》和ASTM E228：2017StandardTestMethodforLinearThermalExpansionofSolidMaterialsWithaPush-RodDilatometer等的技術(shù)要求進行零部件選材、加工等，并對測定金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)的裝置進行了開發(fā)。

1 金屬材料熱膨脹特性參數(shù)測定的術(shù)語和定義

GB/T 4339—2008將金屬材料熱膨脹特性參數(shù)的測定描述為采用步進式變溫方式或緩慢恒速變溫方式對溫度進行控制，利用推桿式熔融石英膨脹儀檢測作為溫度函數(shù)的固體材料試樣相對于其載體的長度變化。

1.1 線性熱膨脹系數(shù)

線性熱膨脹系數(shù)是指與溫度變化相應(yīng)的試樣長度變化與試樣在環(huán)境溫度下原始長度之比，用ΔL/L0表示。其中：ΔL是從起始溫度t1至所需溫度t2間觀察到的長度變化;L0是環(huán)境溫度t0下試樣的原始長度。線性熱膨脹常以百分幾或百萬分之幾(10-6)表示，一般以20 ℃為起始溫度。

1.2 平均線膨脹系數(shù)

平均線膨脹系數(shù)為在溫度t1和t2之間，與溫度變化1 ℃相應(yīng)的試樣長度相對變化αm，表示為

(1)

式中：t1,t2為測定中選取的兩個溫度，℃；L2為溫度t2下的試樣長度，mm；L1為溫度t1下的試樣長度，mm。

由式(1)可見，αm是線性熱膨脹系數(shù)(ΔL/L0)與溫度變化(Δt)的商，單位一般為℃-1。

1.3 瞬間線膨脹系數(shù)

瞬間線膨脹系數(shù)為在溫度t下，與溫度變化1 ℃相應(yīng)的線性熱膨脹值αt，表示為

(2)

式中：αt為溫度t下的熱膨脹率，℃-1；Li為指定溫度ti下的試樣長度，mm。

2 試樣制備及精加工設(shè)備

由于材料熱膨脹量相對較少，所以對試樣端面與推桿的接觸面的加工精度和表面粗糙度的要求較高。考慮到試樣橫向尺寸比較小，一般加工設(shè)備較難滿足試樣裝夾和加工的要求，因此在試驗室現(xiàn)有的自動金相制樣設(shè)備上自行設(shè)計、改裝專用的壓力夾盤，通過對不同轉(zhuǎn)速的控制、不同規(guī)格砂紙的替換，以及對經(jīng)粗加工的試樣進行精加工，保證試樣端面的加工精度和表面粗糙度滿足試驗要求。GB/T 4339-2008和某公司理化室對試樣尺寸的要求如表1所示。

表1 熱膨脹特性參數(shù)測試試樣尺寸

開發(fā)的精加工制樣機如圖1～3所示，其是自動控制的研磨、拋光設(shè)備，適用于各類金相或其他試樣的精密制樣。該制樣機機身采用ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)材料一體成形，具有較高的耐腐蝕性能；采用7寸高清LCD液晶觸摸屏操控和顯示，可以根據(jù)不同試樣設(shè)置不同的制樣參數(shù)，且能存儲十幾種磨拋程序，操作簡便、清晰直觀。自動研磨系統(tǒng)可有效代替手工磨拋各道工序，有效地提高了磨拋質(zhì)量和制樣效率。

圖1 精加工制樣機

圖2 制樣機壓力夾盤

圖3 制樣機定制夾盤

精加工制樣機有以下技術(shù)特點。采用中心壓力、單點壓力兩種運行控制模式，可根據(jù)工況選擇合適的控制模式；磨頭電磁鎖具有自動落鎖功能，以確保磨頭在使用過程中不晃動；磨頭樣盤與磨盤之間采用獨特的運轉(zhuǎn)貼合設(shè)計，有效地提高了磨拋質(zhì)量；采用進口調(diào)壓閥，保證了制樣壓力持續(xù)和穩(wěn)定；試樣夾盤采用半轉(zhuǎn)設(shè)計，取放試樣更方便；磨盤采用合金鋁壓鑄成形，不易變形，可配合無級調(diào)速，支持正反轉(zhuǎn)，底盤支撐筋肋的設(shè)計確保了磨盤精密的回轉(zhuǎn)平衡性能；采用磁性盤設(shè)計，試樣夾盤可快速裝卸轉(zhuǎn)換，靈活轉(zhuǎn)換不同規(guī)格的夾盤；墊板噴涂特氟龍，更換砂紙和拋光布時無殘留痕跡；采用自動研磨系統(tǒng)控制，具有定時、定速及水系統(tǒng)自動啟閉功能，可有效地代替手工磨拋。

表2 YMPZ-1-250型精加工制樣機主要參數(shù)

3 金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)測定裝置

3.1 主體框架設(shè)計

冷熱膨脹特性測定裝置主體框架采用四立柱鋁合金支撐，底盤鋼板厚度為20 mm，與立柱之間用M16 mm螺絲固定，上方用鋁合金鋼構(gòu)成四方體與四立柱相連接，各連接點相互牽制，保證整體框架具有較強剛性。底盤四處邊緣安裝避震橡膠墊，以減少外界沖擊對冷熱膨脹特性試驗的影響。上方橫跨的兩根鋼桿為安裝測試試樣微量變化的微量變形測量系統(tǒng)和懸掛放置被測試樣的試樣倉所設(shè)的。金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)測定裝置如圖4所示。

圖4 金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)測定裝置圖

3.2 恒溫式冷熱試樣環(huán)境箱

金屬材料冷熱膨脹微量變化受環(huán)境溫度變化影響。對環(huán)境溫度箱的設(shè)計采用了簡便、易加工的試驗容器，呈圓筒狀，其直徑為φ120 mm、高度為140 mm、壁厚為5 mm；底盤采用細牙螺紋，密封面采用耐熱橡膠密封圈，底盤中心為杯狀結(jié)構(gòu)并用螺栓連接主體框架底盤。容器蓋板與容器筒體采用螺紋配合，以方便試樣的放置。蓋板上方圓孔包含以下功能。(1)保證中心孔與底盤中心基本保持同一軸心；(2)可以穿過測溫熱電偶；(3)冰、二氧化碳、液氮等介質(zhì)的灌入和輸出；(4)可插入電熱棒加熱液體介質(zhì)。

3.3 試樣倉

試樣倉是測定金屬材料膨脹系數(shù)的核心裝置，為金屬材料冷熱膨脹被測試樣存放的載體，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中陶瓷管底部采用堵頭封口，離堵頭端20 mm處設(shè)置30 mm×5 mm的長方形觀察窗口；陶瓷管內(nèi)放置φ6 mm×200 mm的圓柱體石英推桿，推桿與陶瓷管內(nèi)壁保證一定間隙，以提高檢測精度；被測試樣為φ6～7 mm×55～70 mm的圓柱體[3-4]。

圖5 試樣倉基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 溫度顯示

熱膨脹特性參數(shù)測定裝置的冷熱介質(zhì)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、水加熱等，采用K型熱電偶作為測溫傳感器。溫度控制涉及介質(zhì)種類、環(huán)境箱體積大小、升溫或降溫速率、保溫時間等。

3.5 微量變形測定系統(tǒng)

金屬材料冷熱膨脹測定系統(tǒng)中的微量變形測量機采用相對穩(wěn)定的機械檢測方法；將計量合格的千分表頂在試樣倉石英頂桿平面上，可以隨時觀察金屬材料冷熱膨脹的微量變化。微量變形測定系統(tǒng)的靈敏度和測定精度滿足長度測定精確的要求[5]。

4 金屬材料熱膨脹系數(shù)的測定

采用開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置在20～100 ℃和2～18 ℃下分別測定了鋼、銅、鋁基金屬材料的試樣長度變化量和100 ℃下的線性熱膨脹系數(shù)，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 采用開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置在20～100 ℃下測得的不同金屬材料的試樣長度變化量和線性熱膨脹系數(shù)

表4 采用開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置在2～18 ℃下測得的不同金屬材料的試樣長度變化量

采用開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置對鋼和純銅在-196 ℃液氮條件下測得的線性熱膨脹系數(shù)如表5所示。

表5 采用開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置在-196 ℃液氮條件下測得的不同金屬材料的線性熱膨脹系數(shù)

由表3～5可知，開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置基本符合GB/T 4339—2008及ASTM E228：2017中的相關(guān)技術(shù)要求，也證明了鐵基材料、銅基材料、鋁基材料3種金屬材料在相同條件下測得的線性熱膨脹值是有差異的。

5 分析與討論

自行研制了在恒定溫度條件下測定金屬材料熱膨脹特性參數(shù)的裝置，并測定了幾種金屬材料的線性熱膨脹系數(shù)，試驗結(jié)果表明，該裝置基本符合GB/T 4339-2008及ASTM E228：2017中的相關(guān)技術(shù)要求。

裝置中的試樣倉材料與標準中推薦的石英材料略有不同，采用了相似牌號的高溫熱電偶陶瓷材料，試樣推頂桿采用了進口石英材料。資料證明高溫熱電偶陶瓷管的冷熱膨脹系數(shù)基本不變，通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知，選用的試樣倉材料完全能夠滿足使用要求。

開發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測定裝置目前還無法提供平均線膨脹系數(shù)(αm)和熱膨脹率(αt)等參數(shù)的測定，因為該套裝置目前還無法實現(xiàn)控制試驗溫度單位間隔在1 ℃。該裝置還需提高溫度控制的精度或范圍，從恒溫條件控制設(shè)定，提升到可以實現(xiàn)任意設(shè)置控制溫度的水平。

6 結(jié)論

開發(fā)了在恒定溫度條件下測定金屬材料熱膨脹特性參數(shù)的裝置，并測定了幾種金屬材料的線性熱膨脹系數(shù)，該裝置基本符合GB/T 4339—2008及ASTM E228：2017中的相關(guān)技術(shù)要求，也證明了鐵基材料、銅基材料、鋁基材料3種金屬材料在相同條件下測得的膨脹系數(shù)是有差異的。

GB/T 4339—2008中已經(jīng)提供了不同溫度下的熱膨脹數(shù)據(jù)，開發(fā)的金屬材料熱膨脹特性參數(shù)測定裝置測定的試驗數(shù)據(jù)起到了一定的驗證作用，可以提供某種金屬材料恒定溫度下的線性熱膨脹系數(shù)，為特定產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計提供技術(shù)支持。

通過測定材料膨脹系數(shù)隨溫度的變化來研究材料內(nèi)部的物理反應(yīng)，熱膨脹特性參數(shù)的測定將在金屬材料性能研究中發(fā)揮越來越大的作用，與其他測試方法聯(lián)用(如微觀組織分析)研究金屬材料內(nèi)部的反應(yīng)機理和特征是未來熱膨脹檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。