湖南科技大學(xué)

金屬材料專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)

題目綜合實(shí)驗(yàn)（2）

作者

學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

專(zhuān)業(yè)金屬材料工程

學(xué)號(hào)

指導(dǎo)教師

二。一二年六月十日

實(shí)驗(yàn)一熱膨脹系數(shù)測(cè)試

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定在高溫狀態(tài)金屬材料，陶瓷，釉料，耐火材料以及其他非金

屬材料在受熱焙燒過(guò)程中德熱膨脹和受挫性能，也適用于GB1T3810.8-2006對(duì)陶

瓷磚線(xiàn)性熱膨脹的測(cè)定。

二、實(shí)驗(yàn)儀器：RPY、ZRPY—1400系列熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀（該儀器是用于測(cè)定

在高溫狀態(tài)金屬材料?，陶瓷、釉料、耐火材料以及其它非金屬材料在受熱焙燒過(guò)

程中的膨脹和收縮性能，也適用于GB/T3810.8-2006對(duì)陶瓷磚線(xiàn)性熱膨脹的測(cè)

定。）

三、主要技術(shù)參數(shù)：

RPY、ZRPY系列熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀

2.主要技術(shù)參數(shù)：

A.最高爐溫：1400℃

B.升溫速度：2.5小時(shí)可達(dá)最高溫度，可程序升溫，可根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)

C.電源電壓：220V±10%,50Hz

D.最大功耗：2.0kw

E.位移測(cè)量誤差：^0.01mm

F.溫度記錄值誤差：土1C

G1600c復(fù)樣幅差：膨脹率&W0.036%,膨脹系數(shù)aW0.25X10競(jìng)

1、ZRPY智能膨脹儀自動(dòng)控溫，記錄，存儲(chǔ)，打印數(shù)據(jù)，打印溫度-膨脹系數(shù)曲

線(xiàn)，所有試驗(yàn)操作均由計(jì)算機(jī)界面完成，操作方便并提供全套軟件。

四、儀器的組成及原理：

物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱(chēng)為熱膨脹。熱膨脹系數(shù)是材

料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。在實(shí)際

應(yīng)用中，當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，選擇材料的熱膨脹系數(shù)顯得尤為

重要，如玻璃儀器、陶瓷制品的焊接加工，都要求二種材料具備相近的膨脹系數(shù)。

在電真空工業(yè)和儀器制造工業(yè)中廣泛地將非金屬材料（玻璃、陶瓷）與各種金屬

焊接，也要求兩者有相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)；如果選擇材料的膨脹系數(shù)相差比較大,

焊接時(shí)由于膨脹的速度不同，在焊接處產(chǎn)生應(yīng)力，降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度和氣密

性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。如果層狀物由兩種材料迭置

連接而成，則溫度變化時(shí)，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中

要采用一中間膨脹值，從而使一種材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力而另一種材料中產(chǎn)生大小相

等的張應(yīng)力，恰當(dāng)?shù)乩眠@個(gè)特性，可以增加制品的強(qiáng)度。因此，測(cè)定材料的熱

膨脹系數(shù)具有重要的意義。

儀器由傳感裝置，電爐火，小車(chē)，基座，電器控制柜五部分組成，電驢升溫

后，爐膛內(nèi)的試樣發(fā)生膨脹，頂在試樣端部的測(cè)試桿產(chǎn)生與之等量的位移量（如

果不計(jì)系統(tǒng)的熱變形量的話(huà)）。這一位移量由電感位移計(jì)精確地測(cè)量出來(lái)，并由

位移顯示。

為消除系統(tǒng)熱變形量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在計(jì)算中需加上相應(yīng)的補(bǔ)償值才是

試樣的真實(shí)膨脹值才是試樣的真實(shí)膨脹值C

1、傳感裝置中德測(cè)試桿一端頂著試樣，端連著電感位移計(jì)鐵芯，試樣的另一

端頂在固定的試樣擋板上，因而試樣在此端的自由度被限制了，所以試樣的膨脹

將引起位移傳感器的鐵芯相應(yīng)的位移。

2、試樣裝在試管中固定不動(dòng)，進(jìn)出爐膛靠移動(dòng)電阻爐來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣避免了試

樣受到振動(dòng)。電阻爐膛裝在小車(chē)上，小車(chē)可在基座導(dǎo)軌上移動(dòng)。

3、電氣部分。電驢采用硅碳棒發(fā)熱，爐溫測(cè)定采用相應(yīng)熱電偶及溫控儀。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:

溫度/戰(zhàn)整版系數(shù)

20

18

(

9

2

X

)

I一線(xiàn)弊賬系數(shù)］

溫度(r)

如圖所示，線(xiàn)膨脹百分率隨著溫度的增加增大?；旧鲜浅示€(xiàn)性關(guān)系。體膨張系

數(shù)與溫度的關(guān)系：開(kāi)始時(shí)體膨脹系數(shù)增加的比較快，過(guò)一段時(shí)間后增加的比較慢,

然后區(qū)于平穩(wěn)。

實(shí)驗(yàn)二樹(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)試樹(shù)脂材料的導(dǎo)熱系數(shù)

二、實(shí)驗(yàn)原理：

1.導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)1882年傅立葉(J.Fourier)建立的熱傳導(dǎo)理論，當(dāng)材料內(nèi)部有溫度梯

度存在時(shí)，就有熱量從高溫處傳向低溫處，這時(shí)，在力時(shí)間內(nèi)通過(guò)dS面積的熱

量"Q,正比于物體內(nèi)的溫度梯度，其比例系數(shù)是熱導(dǎo)系數(shù)，即：

dQdT.

=-X——dS(1)

dtdz

式中華為傳熱速率，《是與面積dS相垂直的方向上的溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱

dtdz

量從溫度高的地方傳到溫度低的地方，2是導(dǎo)熱系數(shù)。國(guó)際單位制中，導(dǎo)熱系數(shù)

的單位為一小?口。

2.用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)

設(shè)圓盤(pán)P為待測(cè)樣品，如圖1所示，待測(cè)樣品P、散熱盤(pán)B二者的規(guī)格相同,

厚度均為人、截面積均為S（S二號(hào),。為圓盤(pán)直徑），上下兩面的溫度為（和

心保持穩(wěn)定，側(cè)面近似絕熱，則根據(jù)（1）式可以知道傳熱速率為：

也一ZLzZLs=%ZlzZLs（2）

dthh

為了減小側(cè)面散熱的影響，圓盤(pán)P的厚度/?不能太大。由于待測(cè)圓盤(pán)的L下

表面的溫度（和心是用加熱盤(pán)A的底部和散熱盤(pán)B的頂部的溫度來(lái)表示的，所以

必須保證樣品與加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)B緊密接觸。

溫度方

所謂穩(wěn)態(tài)法就是獲得穩(wěn)定的溫度分布，這時(shí)溫度十和八也就穩(wěn)定了。當(dāng)著和

心的值穩(wěn)定不變時(shí)，這時(shí)可以認(rèn)為通過(guò)樣品P的傳熱速率與散熱盤(pán)B在溫度為5

時(shí)的散熱速率相當(dāng)。為了求出這時(shí)的傳熱速率，可以先求散熱盤(pán)在溫度7；時(shí)的散

熱速率。實(shí)驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定的T和7?時(shí)，即可將樣品移去，然后將加熱盤(pán)A

與散熱盤(pán)B直接接觸，當(dāng)B盤(pán)的溫度上升了大約10℃后，將加熱盤(pán)A移開(kāi)，讓B

盤(pán)自然冷卻，每隔一定的時(shí)間間隔采集一個(gè)溫度值，由此求出銅盤(pán)B在溫度，附

近的冷卻速率。由于物體的冷卻速率與它的散熱面積成正比，考慮到銅盤(pán)散熱時(shí),

其表面是全部暴露在空氣中，即散熱面積是上、下表面與側(cè)面，而實(shí)驗(yàn)中達(dá)到穩(wěn)

態(tài)散熱時(shí)，銅盤(pán)的上表面卻是被樣品覆蓋著的，故需對(duì)散熱速率加以修正。修正

后，銅盤(pán)P的散熱速率為：

（考■+血2）

dQ心(3)

dt（與+孫）dt

這里隼表示在自然冷卻時(shí)的散熱速率，它和冷卻速率￡之間的關(guān)系為:

4Q金dT

=me——(4)

dtdt

相和。分別為待測(cè)樣品的質(zhì)量和比熱容，根據(jù)（2）（3）（4）式，可以求出導(dǎo)熱

系數(shù)的公式為:

(2+?

A=meh-----------------(5)

或+〃)UM)dt

式中，，小。、。、爪TP北，都可由實(shí)驗(yàn)測(cè)出準(zhǔn)確值，由此可見(jiàn)，只要求出竺,

~dt

就可以求出導(dǎo)熱系數(shù)2。

根據(jù)熱電偶的工作原理，熱電偶是將一定的溫差轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)而顯示出來(lái):

Ex必7(6)

這里a為溫差系數(shù)，根據(jù)上面式子可以知道

7＞心」出_4)

(a)

a

(7)

dT1dE

—=............,?(3

dtadt

將（7）式代入（5）式，得到

(1+h)

dE

A=meh--------------------(8)

dt

+h)(E]-E2)

三、實(shí)驗(yàn)儀器及說(shuō)明：

1、儀器:DRLTI導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀

2、儀器概述：本儀器主要測(cè)試薄的熱導(dǎo)體、固體電絕緣材料、導(dǎo)熱樹(shù)脂、氧化

鍍瓷、氧化鋁瓷等陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。儀器參考標(biāo)準(zhǔn)：MTL-I-49456A（絕緣片材、

導(dǎo)熱樹(shù)脂、熱導(dǎo)玻纖增強(qiáng)）；GB5598-85（氧化鍍瓷導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法）；D5470-95

（薄的熱導(dǎo)性固體電絕緣材料傳熱性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）等。DRL-H導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

儀以穩(wěn)定導(dǎo)熱原理為基礎(chǔ)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，單向熱流垂直流過(guò)試樣，通過(guò)測(cè)量試

樣上下兩表面的溫度，有效傳熱面積和厚度，即可計(jì)算試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。儀器主

要用于測(cè)試薄的熱導(dǎo)體、硅膠、硅橡膠、固體電絕緣材料、導(dǎo)熱硅膠、導(dǎo)熱樹(shù)脂、

氧化鍍瓷、陶瓷基片、其他鋁基片、陶瓷基板、氧化鋁瓷等材料的導(dǎo)熱系數(shù)。儀

器參考標(biāo)準(zhǔn)：MIL-I-49456A(絕緣片材、導(dǎo)熱樹(shù)脂、熱導(dǎo)玻纖增強(qiáng))；GB5598-85

(氧化鍍瓷導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法)；ASTMD5470-2006(薄的熱導(dǎo)性固體電絕緣材料

傳熱性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))等。

四、DRL-II導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀主要參數(shù)

2、主要參數(shù)

A、試樣大?。褐睆叫∮?0mm

B、試樣厚度：0.02—10mm

C、溫度范圍：40-150℃,最高溫度可達(dá)500℃

D、真空度:0.15Pa

E、測(cè)試范圍：0.015—40W/mk

F、可連接上位機(jī)實(shí)際計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)數(shù)控打印輸出

G、電源：220V/50HZ

H、測(cè)定范圍：優(yōu)于1%

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

序?qū)嵯?/p>

平均溫?zé)崦鏈囟壤涿鏈卦嚇雍穸葻嶙?/p>

號(hào)試樣名稱(chēng)數(shù)

度(℃)(℃)度(℃)(mm)(km2/w)

(W/mk)

1樹(shù)脂48.60056.4040.803.0000.0340.08823

249.30057.0041.603.0000.0350.08571

348.85056.6041.103.0000.0460.06522

440.0056.741.33.0000.0340.08823

3.000

本次實(shí)驗(yàn)采用的是樹(shù)脂材料，儀器的設(shè)定溫度為120C。儀器顯示溫度分別為上

熱極，試樣上表面，試樣下表面和下熱極。試樣的厚度為3rnm,試樣的截面積為

706.858mm。結(jié)合分析，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.034w/mk。

實(shí)驗(yàn)三摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)量材料運(yùn)行時(shí)的摩擦磨損。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：HRS-2M型高速往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)

三、工作原理：本試驗(yàn)機(jī)適用于材料和零部件表面的摩擦磨損測(cè)試。載荷范圍寬、

滑動(dòng)速度可調(diào)，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)材料的摩擦系數(shù)、磨痕深度、表面輪廓和耐

磨性，有針對(duì)性地對(duì)材料或零部件的潤(rùn)滑特性、表面處理及材料特性做出評(píng)

估。

四、主要技術(shù)參數(shù)

HRS-2M型高型往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)

序號(hào)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)

1載荷范圍1N?200N（100g?20kg）精度：0.IN

2往復(fù)滑動(dòng)頻率3?50Hz（最高:3000次/min）

3滑動(dòng)長(zhǎng)度0.5?25mm（最長(zhǎng)30mm）

4樣品尺寸①5?60nlm(最大直徑：①100mm,高度：60mm)

5樣品厚度0.5mm~30mm

6摩擦系統(tǒng)測(cè)量精度0.2%FS（滿(mǎn)量程）

7磨痕深度測(cè)量范圍±lnun精度：0.lMm

(1)1000g摩擦力傳感器(1N-10N)

8選配件

(2)樣品加熱爐(室溫?300℃)

樣品要求：金屬或非金屬塊體材料、涂層等

五、實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)壓力F=1ON400次/min時(shí)間20min

運(yùn)行長(zhǎng)度5mm

影響u的因素：壓力和速度。

實(shí)驗(yàn)?zāi)p三階段：跑合，穩(wěn)定、劇烈

載荷傳感器規(guī)格200N

根據(jù)摩擦系數(shù)的公式摩擦力為摩擦系數(shù)和載荷的乘積。

六、實(shí)驗(yàn)步驟:

首先調(diào)零、摩擦力1=0載荷1=0

摩擦力2二0載荷2=0

其次：?jiǎn)?dòng)運(yùn)行

七、結(jié)果分析

Cu-film-H-7S0r-Fe(e操系數(shù)測(cè)定

I—厚與系聚|

Cu-film-14-660r-Fe摩擦系數(shù)測(cè)定

——iturftt

磨損形式有磨料磨損、粘著磨損、接觸疲勞磨損、微動(dòng)磨損、氣蝕等。然而在實(shí)

際運(yùn)轉(zhuǎn)條件下往往不止出現(xiàn)一種磨損形式，例如大功率柴油機(jī)軸瓦可能同時(shí)出現(xiàn)

粘著磨損和氣蝕。與其他試驗(yàn)相比，磨損試驗(yàn)受載荷、速度、溫度、周?chē)橘|(zhì)、

表面粗糙度、潤(rùn)滑和偶合材料等因素的影響更大。試驗(yàn)條件應(yīng)盡可能與實(shí)際條

件一致，才能保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

一般地說(shuō)，金屬材料摩擦副在大氣中干摩擦?xí)r，輕載下，摩擦系數(shù)隨載荷的

增大而增大，因?yàn)檩d荷增大將氧化膜擠破，導(dǎo)致金屬直接接觸。不少的實(shí)驗(yàn)也證

明，通常金屬在滑動(dòng)中，摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小。這是因?yàn)檎鎸?shí)接觸面積

的增大不如載荷增加得快。因此載荷的影響需要根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際工況來(lái)分

析。

一般情況下，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度增加而升高，超過(guò)一極大值后，又隨滑

動(dòng)速度的增加而減少。當(dāng)速度增大時(shí)，摩擦系數(shù)通過(guò)一個(gè)最大值，當(dāng)壓力增大時(shí),

該最大值對(duì)應(yīng)于較小的速度值?；瑒?dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，主要是摩擦引起溫

度的變化所致C滑動(dòng)速度引起的發(fā)熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質(zhì)和

接觸狀況。因而摩擦系數(shù)必將隨之變化。

實(shí)驗(yàn)四衍射實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解X射線(xiàn)衍射儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.熟悉X射線(xiàn)衍射儀的操作

3.掌握運(yùn)用X射線(xiàn)衍射分析軟件進(jìn)行物相分析的方法。

實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)使用的儀器為：XD-3X射線(xiàn)衍射儀1.XD-3X射線(xiàn)衍射儀。

二.主要技術(shù)參數(shù)：

A.測(cè)角儀掃描半徑：180mm,掃描方式：0/2?；?/0,掃描軸：水平

B.測(cè)角儀角度重現(xiàn)性:0.0006度

C.X射線(xiàn)發(fā)生器kY、mA穩(wěn)定度:優(yōu)于0.01%

D.X射線(xiàn)發(fā)生器額定功率：3kW

E.北京普析通用儀器有限責(zé)任公司

三、實(shí)驗(yàn)原理：晶體結(jié)構(gòu)可以用三維點(diǎn)陣來(lái)表示。每個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)代表晶體中的一個(gè)

基本單元，如離子、原子或分子等?？臻g點(diǎn)陣可以從各個(gè)方向予以劃分，而成

為許多組平行的平面點(diǎn)陣。因此，晶體可以看成是由一系列具有相同晶面指數(shù)的

平面按一定的距離分布而形成的。各種晶體具有不同的基本單元、晶胞大小、對(duì)

稱(chēng)性，因此，每一種晶體都必然存在著一系列特定的d值，可以用于表征不同

的晶體。X射線(xiàn)波長(zhǎng)與晶面間距相近，可以產(chǎn)生衍射。晶面間距d和X射線(xiàn)

的波長(zhǎng)的關(guān)系可以用布拉格方程來(lái)表示2dsinO=nX根據(jù)布拉格方程，不同的晶

面，其對(duì)X射線(xiàn)的衍射角也不同。因此，通過(guò)測(cè)定晶體對(duì)X射線(xiàn)的衍射，就

可以得到它的X射線(xiàn)粉末衍射圖，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的己知X射線(xiàn)粉末衍射圖對(duì)照

就可以確定它的物相。

四、實(shí)驗(yàn)步驟：

1.樣品制備將待測(cè)粉末樣品在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實(shí)，使試樣面

與玻璃表面齊平

2.測(cè)試第一步：開(kāi)機(jī)

1打開(kāi)墻體及主機(jī)電源，并按卜主機(jī)啟動(dòng)校鈕。

2打開(kāi)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，使冷卻水電導(dǎo)率在3以?xún)?nèi)，水溫在20-24

度范圍內(nèi)。

3按下控制面板上的開(kāi)真空按鈕，使真空度降至150mV以下。

4打開(kāi)控制柜開(kāi)關(guān)

5打開(kāi)電腦，在軟件控制程序中開(kāi)啟X射線(xiàn)后執(zhí)行預(yù)熱至需要功率預(yù)

熱時(shí)間為1-1.5小時(shí)。

第二步：裝樣將裝有待測(cè)粉末樣品的試樣架放置在測(cè)角儀中心的樣品架上

第三步：測(cè)量在電腦軟件控制中，打開(kāi)測(cè)量控制程序，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下表：

StartStopSamplingScanDivDivH.SetkVmARecslitangleangleW.speedSlitL.

SlitSlit20.00080.0000.02010.000401001deg.10mm1deg.0.15mm設(shè)定好參數(shù)

后，單擊執(zhí)行開(kāi)始測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)以待分析。

第四步：關(guān)機(jī)

1利用軟件控制程序，將管電壓和管電流調(diào)至36kV.40mA后，關(guān)閉X射

線(xiàn)。關(guān)閉電腦。

2關(guān)閉控制柜開(kāi)關(guān)。

3關(guān)閉真空系統(tǒng)。

4關(guān)閉X射線(xiàn)30min之后關(guān)閉冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。

5關(guān)閉電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:

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