關鍵詞：熱膨脹系數  材料  焊接 熔融

物體的體積或長度隨溫度的變化而膨脹的現象稱為熱膨脹。其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導致的長度、面積或體積的變化，即熱膨脹系數表示。熱膨脹的本質是晶體點陣結構間的平均距離隨溫度變化而變化。材料的熱膨脹通常用線膨脹系數或者體膨脹系數來表述。熱膨脹系數是材料的主要物理性質之一，它是衡量材料的熱穩定性好壞的一個重要指標。

熱膨脹系數有線膨脹系數α、面膨脹系數β和體膨脹系數γ。

線膨脹系數α=ΔL/(L*ΔT)，

面膨脹系數β=ΔS/(S*ΔT)，

體膨脹系數γ=ΔV/(V*ΔT)，

式中ΔL為所給溫度變化ΔT下物體長度的改變，L為初始長度；ΔS為所給溫度變化ΔT下物體面積的改變，S為初始面積；ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變，V為初始體積；

嚴格說來，上式只是溫度變化范圍不大時的微分定義式的差分近似；準確定義要求ΔV與ΔT無限微小，這也意味著，熱膨脹系數在較大的溫度區間內通常不是常量。

溫度變化不是很大時，α就成了常量，利用它，可以把固體和液體體積膨脹表示如下：

Vt=V0(1+3αΔT)，

而對理想氣體，

Vt=V0(1+0.00367ΔT)；

Vt、V0分別為物體末態和初態的體積

對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數。

對于三維的具有各向異性的物質，有線膨脹系數和體膨脹系數之分。如石墨結構具有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數也呈現出各向異性，表現為平行于層面方向的熱膨脹系數遠小于垂直于層面方向。

宏觀熱膨脹系數與各軸向膨脹系數的關系式有多個，普遍認可的有Mrozowski算式：

α=Aαc+(1-A)αa

αa,αc分別為a軸和c軸方向的熱膨脹率，A被稱為“結構端面”參數。

線性熱膨脹系數與由溫度波動引起的聚合物容積變化有關，這在pvT圖中能很好地表現出來。對于許多種材料而言，熱膨脹與這種材料的熔融溫度有關，如圖下圖。

聚合物的熱膨脹系數和彈性模量之間也存在著一定的關系。

在實際應用中，當兩種不同的材料彼此焊接或熔接時，選擇材料的熱膨脹系數顯得尤為重要，如玻璃儀器、陶瓷制品的焊接加工，都要求兩種材料具備相近的熱膨脹系數。在電真空工業和儀器制造工業中廣泛地將非金屬材料與各種金屬焊接，也要求兩者有相適應的熱膨脹系數：如果選擇材料的膨脹系數相差比較大，焊接時由于膨脹的速度不同，在焊接處產生應力，降低了材料的機械強度和氣密性，嚴重時會導致焊接處脫落、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，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中要采用——中間膨脹值，從而使一種材料中產生壓應力而另一種材料中產生大小相等的張應力，恰當的利用這個特性，可以增加制品的強度。因此，測定材料的熱膨脹系數具有重要意義。那么，影響熱膨脹系數的因素又有哪些呢？

一、化學礦物組成。熱膨脹系數與材料的化學組成、結晶狀態、晶體結構、鍵的強度有關。組成相同，結構不同的物質，膨脹系數不相同。通常情況下，結構緊密的晶體，膨脹系數較大；而類似于無定形的玻璃，往往有較小的膨脹系數。鍵強度高的材料一般會有低的膨脹系數。

二、相變。材料發生相變時，其熱膨脹系數也要變化。純金屬同素異構轉變時，點陣結構重排伴隨著金屬比容突變，導致線膨脹系數發生不連續變化。

三、合金元素對合金熱膨脹有影響。簡單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數介于內組元膨脹系數之間。而多相合金膨脹系數取決于組成相之間的性質和數量，可以近似按照各相所占的體積百分比，利用混合定則粗略計算得到。

四、織構的影響。單晶或多晶存在織構，導致晶體在各晶向上原子排列密度有差異，導致熱膨脹各向異性，平行晶體主軸方向熱膨脹系數大， 垂直方向熱膨脹系數小。

五、內部裂紋及缺陷也會對熱膨脹產生影響。