金屬材料熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

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

(1.上海金相機(jī)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(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)試驗(yàn)機(jī)分會(huì), 北京 100088)

材料在高低溫度環(huán)境和特殊環(huán)境下均會(huì)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(biāo)，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(lái)越突出，所以對(duì)常用材料開(kāi)展熱膨脹特性的檢測(cè)和研究及準(zhǔn)確地測(cè)定材料的熱膨脹特性參數(shù)，對(duì)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(duì)于金屬材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)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(cè)定方法，其是采用機(jī)械測(cè)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(shí)，熱膨脹值通過(guò)頂桿傳遞出來(lái)，進(jìn)而可以被測(cè)得[2]。

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

某公司幾十年來(lái)生產(chǎn)了大量的壓力容器、火力發(fā)電機(jī)組、核能發(fā)電機(jī)組、軍工設(shè)備等鋼制鍛件，涉及到近三百種牌號(hào)的鋼。近年來(lái)為了提升我國(guó)高端裝備制造中鍛件制造能力，公司理化室開(kāi)展許多材料性能方面的研究工作以滿(mǎn)足鍛件成形質(zhì)量的要求。公司理化室在檢測(cè)某些合金材料時(shí)，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(yàn)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(cè)定》和ASTM E228：2017StandardTestMethodforLinearThermalExpansionofSolidMaterialsWithaPush-RodDilatometer等的技術(shù)要求進(jìn)行零部件選材、加工等，并對(duì)測(cè)定金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)的裝置進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。

1 金屬材料熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定的術(shù)語(yǔ)和定義

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

1.1 線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)

線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)是指與溫度變化相應(yīng)的試樣長(zhǎng)度變化與試樣在環(huán)境溫度下原始長(zhǎng)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(guān)察到的長(zhǎng)度變化;L0是環(huán)境溫度t0下試樣的原始長(zhǎng)度。線(xiàn)性熱膨脹常以百分幾或百萬(wàn)分之幾(10-6)表示，一般以20 ℃為起始溫度。

1.2 平均線(xiàn)膨脹系數(shù)

平均線(xiàn)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(zhǎng)度相對(duì)變化αm，表示為

(1)

式中：t1,t2為測(cè)定中選取的兩個(gè)溫度，℃；L2為溫度t2下的試樣長(zhǎng)度，mm；L1為溫度t1下的試樣長(zhǎng)度，mm。

由式(1)可見(jiàn)，αm是線(xiàn)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(xiàn)膨脹系數(shù)

瞬間線(xiàn)膨脹系數(shù)為在溫度t下，與溫度變化1 ℃相應(yīng)的線(xiàn)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(zhǎng)度，mm。

2 試樣制備及精加工設(shè)備

由于材料熱膨脹量相對(duì)較少，所以對(duì)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(mǎn)足試樣裝夾和加工的要求，因此在試驗(yàn)室現(xiàn)有的自動(dòng)金相制樣設(shè)備上自行設(shè)計(jì)、改裝專(zhuān)用的壓力夾盤(pán)，通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速的控制、不同規(guī)格砂紙的替換，以及對(duì)經(jīng)粗加工的試樣進(jìn)行精加工，保證試樣端面的加工精度和表面粗糙度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。GB/T 4339-2008和某公司理化室對(duì)試樣尺寸的要求如表1所示。

表1 熱膨脹特性參數(shù)測(cè)試試樣尺寸

開(kāi)發(fā)的精加工制樣機(jī)如圖1～3所示，其是自動(dòng)控制的研磨、拋光設(shè)備，適用于各類(lèi)金相或其他試樣的精密制樣。該制樣機(jī)機(jī)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(chǔ)十幾種磨拋程序，操作簡(jiǎn)便、清晰直觀(guān)。自動(dòng)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(jī)

圖2 制樣機(jī)壓力夾盤(pán)

圖3 制樣機(jī)定制夾盤(pán)

精加工制樣機(jī)有以下技術(shù)特點(diǎn)。采用中心壓力、單點(diǎn)壓力兩種運(yùn)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(dòng)落鎖功能，以確保磨頭在使用過(guò)程中不晃動(dòng)；磨頭樣盤(pán)與磨盤(pán)之間采用獨(dú)特的運(yùn)轉(zhuǎn)貼合設(shè)計(jì)，有效地提高了磨拋質(zhì)量；采用進(jìn)口調(diào)壓閥，保證了制樣壓力持續(xù)和穩(wěn)定；試樣夾盤(pán)采用半轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，取放試樣更方便；磨盤(pán)采用合金鋁壓鑄成形，不易變形，可配合無(wú)級(jí)調(diào)速，支持正反轉(zhuǎn)，底盤(pán)支撐筋肋的設(shè)計(jì)確保了磨盤(pán)精密的回轉(zhuǎn)平衡性能；采用磁性盤(pán)設(shè)計(jì)，試樣夾盤(pán)可快速裝卸轉(zhuǎn)換，靈活轉(zhuǎn)換不同規(guī)格的夾盤(pán)；墊板噴涂特氟龍，更換砂紙和拋光布時(shí)無(wú)殘留痕跡；采用自動(dòng)研磨系統(tǒng)控制，具有定時(shí)、定速及水系統(tǒng)自動(dòng)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(jī)主要參數(shù)

3 金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置

3.1 主體框架設(shè)計(jì)

冷熱膨脹特性測(cè)定裝置主體框架采用四立柱鋁合金支撐，底盤(pán)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(diǎn)相互牽制，保證整體框架具有較強(qiáng)剛性。底盤(pán)四處邊緣安裝避震橡膠墊，以減少外界沖擊對(duì)冷熱膨脹特性試驗(yàn)的影響。上方橫跨的兩根鋼桿為安裝測(cè)試試樣微量變化的微量變形測(cè)量系統(tǒng)和懸掛放置被測(cè)試樣的試樣倉(cāng)所設(shè)的。金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置如圖4所示。

圖4 金屬材料冷熱膨脹特性參數(shù)測(cè)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(duì)環(huán)境溫度箱的設(shè)計(jì)采用了簡(jiǎn)便、易加工的試驗(yàn)容器，呈圓筒狀，其直徑為φ120 mm、高度為140 mm、壁厚為5 mm；底盤(pán)采用細(xì)牙螺紋，密封面采用耐熱橡膠密封圈，底盤(pán)中心為杯狀結(jié)構(gòu)并用螺栓連接主體框架底盤(pán)。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(pán)中心基本保持同一軸心；(2)可以穿過(guò)測(cè)溫?zé)犭娕迹?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(cāng)

試樣倉(cāng)是測(cè)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(cè)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(zhǎng)方形觀(guān)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(cè)精度；被測(cè)試樣為φ6～7 mm×55～70 mm的圓柱體[3-4]。

圖5 試樣倉(cāng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 溫度顯示

熱膨脹特性參數(shù)測(cè)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(cè)溫傳感器。溫度控制涉及介質(zhì)種類(lèi)、環(huán)境箱體積大小、升溫或降溫速率、保溫時(shí)間等。

3.5 微量變形測(cè)定系統(tǒng)

金屬材料冷熱膨脹測(cè)定系統(tǒng)中的微量變形測(cè)量機(jī)采用相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)械檢測(cè)方法；將計(jì)量合格的千分表頂在試樣倉(cāng)石英頂桿平面上，可以隨時(shí)觀(guān)察金屬材料冷熱膨脹的微量變化。微量變形測(cè)定系統(tǒng)的靈敏度和測(cè)定精度滿(mǎn)足長(zhǎng)度測(cè)定精確的要求[5]。

4 金屬材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)定

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

表3 采用開(kāi)發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置在20～100 ℃下測(cè)得的不同金屬材料的試樣長(zhǎng)度變化量和線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)

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

采用開(kāi)發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置對(duì)鋼和純銅在-196 ℃液氮條件下測(cè)得的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)如表5所示。

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

由表3～5可知，開(kāi)發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測(cè)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(cè)得的線(xiàn)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(cè)定金屬材料熱膨脹特性參數(shù)的裝置，并測(cè)定了幾種金屬材料的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)，試驗(yàn)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(cāng)材料與標(biāo)準(zhǔn)中推薦的石英材料略有不同，采用了相似牌號(hào)的高溫?zé)犭娕继沾刹牧?，試樣推頂桿采用了進(jìn)口石英材料。資料證明高溫?zé)犭娕继沾晒艿睦錈崤蛎浵禂?shù)基本不變，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可知，選用的試樣倉(cāng)材料完全能夠滿(mǎn)足使用要求。

開(kāi)發(fā)的熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置目前還無(wú)法提供平均線(xiàn)膨脹系數(shù)(αm)和熱膨脹率(αt)等參數(shù)的測(cè)定，因?yàn)樵撎籽b置目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)任意設(shè)置控制溫度的水平。

6 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了在恒定溫度條件下測(cè)定金屬材料熱膨脹特性參數(shù)的裝置，并測(cè)定了幾種金屬材料的線(xiàn)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(cè)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(kāi)發(fā)的金屬材料熱膨脹特性參數(shù)測(cè)定裝置測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)起到了一定的驗(yàn)證作用，可以提供某種金屬材料恒定溫度下的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)，為特定產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

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