體積膨脹係數

無論物質是哪種（固體、液體或氣體）形態的變化，都稱之為體膨脹。當物體溫度改變1攝氏度時，其體積的變化和它在0℃時體積之比，叫做“體積膨脹係數”，或稱“體脹係數”，符號用α表示。

與體積膨脹係數有關的還有線脹係數。

基本介紹

• 中文名：體積膨脹係數
• 外文名：Volume expansion coefficient
• 體膨脹：無論物質是哪種形態的變化
• 或稱：“體脹係數”

定義

設在0℃時物質的體積為V₀，在t℃時的體積為V_t，則體脹係數的定義式為　(見圖)

即有V_t=V₀（1+αt）。

由於固體或液體的膨脹係數很小，為計算方便起見，在溫度不甚高時，可直接用下式計算，無需再求0℃時的體積V₀

V₂=V₁[1+α（t2-t1）]。

式中V₁是在t1℃時的體積，V₂是在t2℃時的體積。這一式只適用於固體或液體，因為氣體物質的膨脹係數值較大，不能運用此式。

單位：/k

對於混合液體：

式中：V‘₁、V‘₂-------溫度為t1、t2時混合液體的體積；

_Vl1、V_l2…V_ln------溫度為t1時混合液體各組分的體積分數

β₁、 β₂、 β_n------各組分由t1至t2溫度範圍內的體積膨脹係數平均值

體脹係數表

水銀1.82×10^-4

純水2.08×10^-4

煤油9.0×10^-4

酒精1.1×10^-3

汽油1.24×10^-3

氫氣3.66×10^-3

氧氣3.67×10^-3

氨氣3.80×10^-3

空氣 3.676×10^-3

二氧化碳3.741×10^-3

一切氣體 ≈1/273

甘油 4.9×10^-4

乙醇 7.5×10^-4

相關：線脹係數

鋼筋鏽蝕機理

根據X射線和化學分析結果，全面分析了混凝土中鋼筋鏽蝕的機理。在此基礎上推算出鋼筋鏽蝕體積膨脹係數的理論值，並根據現場多組實測值給出鋼筋鏽蝕體積膨脹係數的統計結果。

鋼筋鏽蝕體積膨脹係數的理論分析

根據前述鋼筋鏽蝕機理，鋼筋鏽蝕後的主要產物為FeOOH和Fe₃O₄，當僅考慮鏽蝕前後Fe的平衡時，對於鏽蝕產物FeOOH，反應式可簡寫為Fe— 3e→ FeOOH

根據鏽蝕產物的X射線分析結果，如果忽略次要成分，一般大氣環境中鋼筋鏽蝕產物平均含FeOOH約85%，含 Fe₃O₄ 約15%。據此，鋼筋鏽蝕後體積膨脹係數E_Fe為E_Fe = 0.85E_FeOOH+ 0.15E_Fe3O4

Fe、FeOOH和Fe₃O₄的摩爾質量分別為55.8g/mol、88.8g/mol和231.4g/mol， Fe的密度為7.86g/cm³、FeOOH的密度為3.3～4.3g/cm³、Fe₃O₄的密度為4.9～5.2g/cm³。

當FeOOH和Fe₃O₄密度取最低值時，則E_Fe低=0.85×2.79+0.15×1.22=2.56

當FeOOH和Fe₃O₄密度取最高值時，則E_Fe高=0.85×1.91+0.15×1.09=1.79

當FeOOH和Fe₃O₄密度取中間值時，則E_Fe=0.85×2.29+0.15×1.15=2.12。

鋼筋鏽蝕體積膨脹係數的實測結果

由理論分析知，鋼筋鏽蝕體積膨脹係數為1.79～2.56，平均值為2.18，密度取中間值時為2.12。為了確定理論分析的合理取值並對理論分析值進行驗證，對擋風架鋼筋鏽蝕體積膨脹進行檢測。為確定鋼筋原始直徑，選擇混凝土保護層比較厚、構件表面完整、無銹脹裂縫和滲出銹液部位，鑿掉保護層，清理鋼筋上附著的砂漿等，用遊標卡尺依步長20度旋轉測量鋼筋直徑，以一組9個測量值的平均值作為所測部位鋼筋原始直徑，以此方法對擋風架12鋼筋共檢測15個部位，所得鋼筋原始直徑均值為12.0mm，均方差為0.09mm。

將理論計算值與實測值的統計結果比較可以看出，二者吻合較好，理論分析計算所得最低值與最高值的平均值與實測數據的均值僅相差7% 。理論值的變化範圍較窄，實測值的變化範圍較寬。其主要原因在於鋼筋原始直逕取12.0mm與實際值有偏差，鏽蝕層不規則造成實測準確度受限制。

合金線膨脹

採用很多不同工藝來降低Al-Si合金的線膨脹及各種性能，從理論角度來對其進行分析、因此對Al-Si合金的線膨脹係數從理論方面去分析研究是十分必要的，這不僅給生產，也為進一步提高Al-Si合金的力學性能提供理論依據。採用德國進口的DIL 402C高溫膨脹儀來對Al-Si合金的線膨脹係數進行測定和分析研究，初步探討其內在規律。

不同矽含量Al-Si合金的線膨脹係數

對不同矽含量的Al-Si 合金線膨脹係數的測定。矽含量越高，合金的線膨脹係數曲線越低，峰值越小且趨於平緩。可以得出矽含量對Al-Si 合金線膨脹係數的影響規律：Al-Si合金經變質處理後，隨著含矽量的增加及初晶矽體積分數的增多，Al-Si合金的線膨脹係數逐漸減小，合金的穩定性越好。

磷變質鍶變質對合金線膨脹係數的影響

共晶Al-Si合金經鍶變質和磷變質後，然後經熱處理得到的微觀組織圖。Al-Si合金經磷變質後，組織中出現了細小均勻分散的初晶矽，共晶矽也變為長條狀。兩種不同的變質處理後所測得的線膨脹係數曲線。可見與鍶變質後所測得的線膨脹係數相比，磷變質處理後所測得線膨脹係數曲線比較平緩，在加熱過程中變化不大；而鍶變質的線膨脹係數曲線在300~400℃之間有較大的變化，且其線膨脹係數明顯大於磷變質的。由此可知：與鍶變質相比，磷變質使Al-Si合金在室溫到450 ℃之間有更好的穩定性。結合其微觀組織對比可知：初晶矽的析出對合金線膨脹係數的降低有促進作用。

熱處理對Al-Si合金線膨脹係數的影響

熱處理對磷變質Al-Si合金中初晶矽影響很小，但使其共晶矽由長條片狀變為短棒及球狀，尺寸明顯變小，形態趨向球化。而對於鍶變質Al-Si合金，熱處理使其共晶矽明顯球化。

共晶Al-Si合金及經變質處理後的共晶Al-Si合金熱處理前後線膨脹係數曲線。熱處理對共晶Al-Si合金線膨脹係數有很大的影響，顯著提高Al-Si合金的體積穩定性。Al-Si合金及磷變質、鍶變質共晶Al-Si合金在熱處理之前，合金的線膨脹係數在200~400℃之間變化很大，先急劇增大然後再急劇下降。但合金經熱處理之後，其線膨脹係數在200~400℃之間變化很小，且比熱處理前低。類似規律也出現於鍶變質Al-Si合金熱處理前後。由此可以得出：熱處理對Al-Si合金線膨脹係數有著顯著的影響，降低合金的線膨脹係數，提高合金的穩定性。可以看出，熱處理之後的組織中共晶矽由原來的層片狀變成細小的棒狀或顆粒狀，分布也比熱處理之前更加緊密；熱處理之後的共晶體對於基體的割裂已經大大減小，使得組織間的排列緊密，受熱膨脹時不容易產生斷裂等缺陷，可以降低材料的熱膨脹係數。