1、1. 何谓膨胀合金? 2. 膨胀合金的特点与机理是什么? 1 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(Invar alloy)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。 2 3 软磁合金 永磁合金 弹性合金 膨胀合金 热双金属 电性
2、合金 耐蚀合金 高温合金 难熔合金 钎焊合金 4 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 。 5 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） 6 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
3、器件与软玻璃匹配封接的引出线 。 7 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。 8 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 9 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。 10 温州亚大双金属有限公司 11 双
4、金属弹簧产品展示 12 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 13 发现 年代 名称成分晶系 磁性 /（1/） at RT Tc或 TN/ 1897Fe-Ni因瓦 65Fe-35Ni 立方铁磁1.210-6 232 1931超因瓦 32Ni-6Fe-4Co 立方铁磁0.0 230 1934不锈因瓦 37Fe-52Co- 11Cr 立方铁磁0.0 127 1937Fe-
5、Pt因瓦 75Fe-25Pt 立方铁磁-30 10-6 80 1962Fe-Pd因瓦 67Fe-31Pd 立方铁磁0.0 340 1972Cr 基因瓦 94Cr-5.5Fe- 0.5Mn 立方 反铁磁 1 10-6 45 1974Y2Fe17因瓦 10.5Y-89.5Fe 六角铁磁 _ -29 1977非晶态Fe-B 因瓦 83Fe-17B非晶态 铁磁 (12)10-6320 低膨胀合金发展简况 14 封接合金发展历程发展历程 19世纪初，已开始用铂作为封接材料与软玻璃封接。1879年，爱迪生(T.Edison) 发明的白炽灯泡以及早期的电子管和X射线管通过玻璃的引出线都用铂丝。 在 1896
6、年法国吉尧姆 (C.E.Guillaume)制成因瓦(Invar)合金(36Ni-Fe)以后,又派生 出了代替铂的46Ni-Fe封接合金，这是最早的封接合金。 后来进一步改进这种合金,在表面覆一层薄铜,这种覆铜的42Ni-Fe丝(俗称杜美丝 ，Dumet Wire)用作非匹配软玻璃封接引出线一直使用到70年代。 随着电真空技术的发展，出现了熔点高、热稳定性好、热膨胀系数更低的硬玻 璃。初期采用钼或钨与硬玻璃封接。20世纪30年代出现了与硬玻璃封接的称为 可伐 (Kovar)的Fe-Ni-Co合金;此外,还出现了与软玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr 系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。 第
7、二次世界大战后，随着超高频、大功率电真空器件的发展，出现了与氧 化铝、氧化铍等陶瓷封接的合金。对膨胀合金提出兼具高导热、高导电、无磁 性等物理性能的要求。为此采用了复合膨胀合金（如覆铜的可伐合金带材和丝 材）、含难熔金属的封接合金 （如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等），但用量都不大。 金属与玻璃封接是靠金属表面所形成的一层致密的氧化膜与加热后的玻璃 通过扩散熔融而完成结合的。金属与陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封接 面金属化后用焊料来连接。在封接和使用的整个过程中，封接合金不应发生能 引起膨胀特性有明显变化的相变。 15 I Invar 36: Chemical Compositions C
8、 Mn S P Si Cr Ni Fe 0.10 0.50 0.004 0.006 0.35 0.25 36.0 Balance Invar 36 is a Nickel-Iron, low expansion alloy containing 36% Nickel, belongs to one of the controlled expansion alloys with the lowest thermal expansion coefficient of any of the iron-nickel alloys. It is widely used in the electronic
9、s industry such as radios, thermostats(自动调温器), glass-to- metal seals and structural components in laser systems. 16 Kovar: Chemical Compositions: CNiFeSiMnSCo 0.0229.0Balance0.200.30 r0 T2 X 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 21 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
10、): 石英玻璃: 0.510-6/K。 铁:12 10-6/K 高温纳灯所用的封接 材料: 金属 T = 7.810-6/K Al2O3灯管 T = 810-6/K。 l TT1T2 l1 l2 lT T 膨胀曲线22 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 1.5 2.5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。 23 Cp T/TM A
11、l 0 0.20.4 0.6 T/K0 400800 Al T/ -2000 200 Fe-35%Ni 24 格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程 Tm V = (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 0.06 0.076。 即固态金属的体热膨胀极限方程： (VTm-V0)/V0 = C 6% 6.7%。 膨系数和熔点的关系可有 公式： l Tm 0.022 2. 与熔点的经验公式： 25 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
12、0.510-6/K,而F铁为12 10-6/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： 26 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。 2
13、7 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）。 28 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 29 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
14、 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。 l/l T/ 300500 Au-50%Cu Cu-50%Zn Fe-25%Al (a). 有序无序转变膨胀曲线 30 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
15、，或在一定温度范围 内不变的可伐合金(Kovar alloy)。 Ni Fe Co 100060014001200 T/K 680520920 31 （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12 10-6/K；而无定型石英玻 璃的值只有0.5 10-6/K。 键强则热膨胀系数值高:石墨平行于c轴值为27 10-6/K;而垂直与c轴的值为1.0 10-6/K。 32 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
16、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。 33 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/l 10-12) 、高精度方面展快； 工上的膨 量向自化和快速反映方向 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
17、用。 膨胀的测量方法：光学式，电测式，机械式。 34 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）。 35 ULTRA HIGH TEMPERATURE DILATOMETER Ambient to 2000/ 2500/ 2800C Single or dual sample Research quality Si
18、ntering studies Full range optical pyrometer (光测高温计) Vacuum or inert atmosphere Fully automatic operation with Windows software (PC not included) 36 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 。 用例: 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
19、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。 37 Laser Interferometry Type Thermal Expansion Meter Its measurement accuracy is as high as 2nm as against +/- 1um which is obtainable by the conventional push rod type dilatometer. 38 39 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? 40 1. 示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪 有何优点?
20、2. 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?) 3. 电感式膨胀仪的基本原理是什么? 有何特点? 常用的膨胀仪 41 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200 800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。 42 注： （1）A点用铰链固定。AC垂直；AB水平。 （2）借助光路的
21、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: l T/ Ac1 Ar1 45 45 C A B 底片 光源 标准样 待测样 石英杆 共析钢 43 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 （PYROS alloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).稳定 性好，1000度以下无相变，
22、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。 44 (二) 示差光学膨胀仪： （试样与标样热膨胀的相对差值的方法） 60 标样 试样 B A C 底片 光 O y x C A C B 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。 45 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
23、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 46 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
