【国家标准(GB)】 金属材料超低膨账系数测定方法 光干涉法

中华人民共和国国家标准
金属材料超低膨胀系数测量方法光干涉法
Metallic material-Standard test method for theextra-low expansion coefficient-Light interferometer method主题内容与适用范围
UDC669:620
.179.7
GB10562—89
本标准规定了用光干涉法测定金属材料在－195℃至+100℃间超低膨胀系数的样品制备、测量装置、测量步骤、结果计算及实验报告的要求。本标准主要适用于具有超低膨胀特性的金属材料的平均线膨胀系数的测量2术语、定义及符号
2.1线性热膨胀
与温度变化相应的样品单位长度上的长度变化称为“线性热膨胀”，用符号V./1o表示.其中V.是从基准温度20℃（to）至所需温度t间观测到的样品长度变化，Lo是温度to时的样品长度。线性热膨胀常以百分率表示（参见附录A）。
2.2平均线膨胀系数
在温度ti至t2间的平均线膨胀系数αt的定义是：a*2 (L2 Li)/LLo - (tz -- t)) = L/(Lo + ) .式中：α2
L2 ——-
温度t至t2间单位温度下的线性热膨胀：其单位名称为每摄氏度，单位符号为（（），也常以每度百万分之一作单位；
温度ta时的样品长度，mm；
一温度t时的样品长度，mm。
2.3瞬间线膨胀系数
在温度t时的瞬间线膨胀系数α的定义是：α, lim(L2
式中：a-
3样品制备
Li)/(Lo(t2 - t) = dI,/odt
样品在温度t时的瞬间线膨胀系数；其单位名称及符号与ut“相同。3.1本标准选用化学纯的铂与无氧铜（含铜量99.97%以上）为标准样品。（2）
3.2在严格的检测中，要求在被检材料的不同部位取样，加工成所需尺寸的样品，样品为棒状（或管状）。以同一部位制取的三支样品为-组。在一般检测中，对同一炉号材料只需一组样品。3.3推荐样品长度为50mm。过短时测量灵敏度降低，过长时样品轴向温度不均匀性加大。3.4当样品长度取50mm时，直径应取3mm至3.5mm。样品一端为平头，另一端为圆头见图1.中华人民共和国冶金工业部1988-12-28批准199001-01实施
GB10562-89
图1样品的形状
3.5为获得可复现的测量结果，应消除与热膨胀行为无关的可导致长度附加变化的影响因素。为此，测试前对样品进行稳定化处理是必要的（参见附录B2）。4测量装置
4.1长度测量装置
4.1.1使用卧式测长仪或游标卡尺等可满足要求的量具，测量基准温度t时的样品长度L，其最小分度应不大于0.01mm。
4.1.2推荐使用菲索干涉仪测量样品随温度变化而产生的长度变化。干涉仪的光学平板由具有光学品质的透明石英制成，平板应抛光到可见光的十分之一个波长，顶板与底板间应有15'士5°的夹角，顶板的下表面应经过研磨以消除反射，底板的上表面和顶板的下表面可涂敷以得到条纹的最佳能见度。使用波长已知的单色光源，推荐使用氮氛激光光源。可用游丝测微计或条纹记录器测量干涉条纹的移动，应读到二十分之一个条纹间距。干涉仪的工作原理如图2所示。半反镜
上下涉片
下涉片P2
图2菲索干涉仪工作原理图
4.2温度测量装置
GB 10562 -89
4.2.1用铂电阻温度计测量样品的温度.其测温灵敏度应好于0.03C。4.2.2变温用恒温槽如图3所示，用电阻丝加热，用液氮或液氨致冷。在样品区内.横尚温度的最大偏差应不大于0.3℃，纵向温度的最大偏差应不大于0.5C.恒温槽的控温水平应不大于10.2（图3含有下涉具的恒温槽示意图下载标准就来标准下载网
干涉具部分：1—下十涉片;2—样品支：3—：行涉片；1·酒光成璃其他部分：5--抽真空口：6—真空密封简：7支架；8-测温及控温外线：9--温摊市车：10-恒温槽壁；11-钳温度计7支；12-加热丝；13圆简状详品火真203
4.3膨胀仪
GB10562—89
4.3.1推荐的菲索干涉膨胀仪如图4所示。全反铁
全反镜
半反镜
激光电源
含有干涉具
的恒温情
激光稳频
氨氨激光器
光电转换器
数据放大器
记录仪
图4菲索干涉膨胀仪线路方框图
4.3.2为保证测量条纹移动的偏差达到不大于土0.05个条纹的水平，光源的频率应稳定。4.3.3膨胀仪的校准是将标样放入图3所示干涉具内的装样夹具中，在需要的温度范围内将标样加热或冷却，将测量得出的计算值与标样的标称值比较，当测量的温度差为50℃时，平均线膨胀系数的最大偏差应不大于6×10-8(C）-1，否则应进行维修。5测量步骤
修磨同组接近等长的三支样品，直至置入装样夹具后能产生最佳的干涉条纹为止。5.1
在基温度下测量三支样品的长度Li，安装好样品。5.3抽真空，使真空度好于1.3Pa（1×10-2Torr）。5.4调整好光接受仪器。
5.5开始变温测量，变温速率应不大于3℃/min。6计算
在菲索下涉膨胀仪中，热膨胀/L,为：6.1
L/Lo = Na/2Lon2 + (n — nz)/n2·（3）
式中：N—-温度由t变到t2时，通过参考点读到的或条纹记录器收到的干涉条纹数（含小数部分）；一产生条纹的光在真空中的波长（要求四位有效数字以上）；nT涉具内气压为P的气体在t下的折射率；n？涉具内气压为P的气体在下的折射率。当气压p不大于1.3Pa(1×10-2Torr)时，式(3)为：AL/La = NA/2Lo
将式（1)及温度ti和t2代入式（1),即可得出平均线膨胀系数。(4)
6.2将样品长度对温度曲线上温度t处的斜率和样品长度L代入式（2），即可得出瞬间线膨胀系数。可用数学分析或作图法得出L(t)曲线的斜率。6.3测过结果报至10-B位［单位为（℃)~1]。204
7报告
试验报告一般应包括下述内容：a.
GB10562—89
对材料的描述。包括牌号、化学成分、加工的历史；样品的制备方法。包括热加工、机加工及热处理工艺，若材料是各向异性的，则应列出样品的轴b.
向方向；
样品的形状、尺寸及基推温度和相应的长度Lo；c.
d、对测试全过程的简述。包括样品膨胀和温度测量系统、加热和冷却速度、温度控制方法、精度估算及环境条件等；
e.对测量结果所列表格。包括测量温度t、温度间隔、所对应的膨胀量或线性热膨胀立/Lo、平均线膨胀系数αz、瞬间线膨胀系数α;f.画出：/L与ta与t及a与t的关系曲线；g.
对样品测量前、后的所有可影响测量结果的异常行为都要进行完整描述；由材料的特殊用途所需的任何附加情报。205
A1初始长度的影响
GB10562-89
附录A
初始长度与起始温度
（补充件）
一般以20℃做为基准温度却，以t时的样品长度做为基准长度Lo。但在实际测量中，常以初始温度不等于20℃的t时的样品初始长度n代替L，令此平均线膨胀系数为，，它与式（1)所定义的α,的关系为：
a2 = a/ + a(to - t))
式中：1-——至0间的平均线膨胀系数，（℃）-。（A1)
因为在实际生产检验中，α（一t)远小于1,所以式（A1)中，a,二 αl故在一般情况下，以代替Lo是可以的，但在严格的检测中不应以 Li代替 Lo。A2起始温度的影响
当被测样品的长度与温度的关系L(t)明显地偏离线性关系时，因t不同所测得的α,彼此间将有明显差异。在生产检验中，此时或以20℃为t或依要求进行测量，否则应对测量结果进行修正。对于一个无明显相变点的热膨胀过程，任一起始温度t至温度t2的αt与由基准温度20℃至温度t测得的a21.,之间的关系呈近似式：
atr 2 — c20,tz = Bo(tr 20)式中：βo——-二次热膨胀常数，（C)-2。二次热膨胀常数B满足下述关系式：L = Lotl + ao(t ta) + pe(t - to))式中． aa-
—次热膨胀常数，（℃）-1。
可用最小二乘法拟合I(t)曲线来得出β值。也可采用其他简化算法。附录B
标样特性及有关数据
（参考件）
B1标样材料的热影胀特性
表B1化学纯铂和高导电无氧铜线性热膨胀值温度：
— 0. 155 9
—0.1256
- 0. 086 A
- 0. 0442
线性热膨涨，%
·(A2)
温度？
B2部分材料的稳定化热处理工艺B2.1Fe-Ni36合金
GB10562-89
续表B1
线性热膨胀，%
Fe-Ni36合金的稳定化热处理一般用三段处理。首先，将样品在空气中加热到830C保温20min，率水，达到均匀化；然后，将样品在空气中加热到310℃回火1h，最后，再将样品加热到95~100C稳定化时效48h。
Fe-Ni36合金的稳定化热处理也可用消除应力处理。首先，将样品加热到310～350C保温1h，空冷，然后，将样品加热到比样品同炉的产品最高使用温度高10℃后，再将样品冷却到比该产品最低使用温度低10℃，这样反复二至三次后冷却至室温。Fe-Ni36合金在上述两种处理中，都要注意其在居里点205℃附近应缓冷。B2.2Fe-Ni32Co4Cu合金
Fe-Ni32Co4Cu合金的稳定化热处理同B2.1的热处理工艺。B2.3Fe-Co54Cr9.5合金
Fe-Co54Cr9.5合金的稳定化、强化热处理工艺是：900℃保温1h冷至室温，再450℃保温5min。B2.4含铜量为99.97%的无氧铜稳定化热处理工艺是：530～540℃退火。B3可测超低膨胀系数的部分伸长计特性表B2
菲索干涉仪
阿-普干涉仪
波来斯特干涉仪
电容法
频率法
较容易
较复杂
较复杂
注：①频率法和电容法测量装置均较复杂。时间稳定性
②光学比较仪等其他仪器亦可能满足超低膨胀系数测量的要求。附加说明：
近似灵敏度
2.5×10-5
2.5×10-5
2.5×10-5
本标准由中华人民共和国冶金工业部情报标准研究总所提出。测得α的最大编差，
10-8(C)
2～10
本标准由东北工学院、首钢冶金研究院和中国测试技术研究院等单位负责起草。本标推主要起草人刘庆国、李昕、刘成银等。207
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