摘要：热膨胀测试过程中，加热速率是一个重要试验设置参数，它直接影响热膨胀系数测量的准确性。本文展示了不同加热速率下对低锰钢材料样品的测试结果，直观显示了加热速率对平均线膨胀系数测试结果的影响。
在热膨胀系数测试过程中，加热速率是一个重要试验设置参数，加热速率的设置直接影响热膨胀系数测量的准确性。一般来说，加热速率越小，热膨胀系数测量的准确性越高，但相应的整个测试过程时间就会很长。因此，在实际热膨胀系数测试过程中，针对不同被测材料样品，选择合理的加热速率则显着非常重要，从而实现既能保证测量的准确性，又能缩短整个测试过程时间。
一直以来，加热速率对热膨胀系数测试结果的影响只是一个公认的常识，很少看到有专项研究对这种影响进行系统性考核试验和报道。如Jankula等人的研究中[1]，仅展示了不同加热速率会使相对热膨胀曲线之间产生偏移，如图1所示。即在较高加热速率下，温度在整个样品中的分布并不均匀，因此可以观察到相对膨胀的一些延迟。这种不同加热速率所带来的延迟效应在热分析测试中非常典型，可以在差热分析、热重分析和其他热分析技术中找到，但这种延迟性描述和表征并不直观，特别是在热膨胀系数测试中并不能直观描述加热速率的影响。
图1
不同升温速率下砖坯样品的相对热膨胀变化曲线：2.5/分钟（灰色）和10/分钟（黑色）
为了更直接和直观的描述加热速率对热膨胀系数测量的影响，Dulucheanu等人开展了这方面的专项研究[2]，具体的实验条件如下：
（1）热膨胀仪：德国NETZSCH公司Expedis DIL
402-SUPREME膨胀仪；
（2）样品材料：铁素体-马氏体结构双相钢；
（3）样品尺寸：圆柱形样品，直径5mm，高度25mm；
（4）加热温度范围：30~980；
（5）测试温度范围：30~700；
（6）加热速率：1、3、5、10和30/min；
（7）试验气氛：氮气，流速100ml/min；
（8）样品负载：200mN。
在加热速率为3/min时，得到如图2所示的相对热膨胀曲线，并由此可计算得到30~100、30~200、30~300、30~400、30~500、30~600和30~700的平均线膨胀系数。
图2
膨胀曲线和线性热膨胀系数（CTE），温度范围为30~700，加热速率为3/分钟
分别采用不同加热速率进行测试，得到相应的平均线膨胀系数测试结果，数值形式如表1所示，曲线形式如图3所示。
表1 不同加热速率下的平均线膨胀系数测试结果
图3 平均线性热膨胀系数（CTE）随加热速率和温度范围的变化
从这个直观的系列性验证试验可以看出，由于被测样品材料的内部结构和热物理性能，加热速率会对热膨胀系数测试结果产生明显影响，加热速率这一试验参数的选择不当会造成热膨胀系数测量误差极大。因此，在实际测试过程中，要根据被测材料结构和热物理性能，选择合理的加热速率。
参考文献
[1] Jankula
M, ŠÍN P, PODOBA R, et al. Typical problems in push-rod dilatometry
analysis[J]. Epitoanyag-Journal of Silicate Based & Composite
Materials, 2013, 65（1）
[2] C.
Dulucheanu, T. Severin, M. Beu, The Influence of Heating Rate on
the Coefficient of Linear Thermal Expansion of a 0.087% C and
0.511% Mn Steel, TEHNOMUS.
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