熱膨脹分析即是從測量金屬在溫度改變時或相變尺寸效應的變化來研究金屬內部的轉變，可以用來測定金屬在加熱與冷卻過程中的臨界點及熱膨脹系數等，并廣泛地用于研究鋼在淬火與回火狀態的各種變化。
原理：
物體因溫度改變而發生的膨脹現象叫“熱膨脹”。通常是指外壓強不變的情況下，大多數物質在溫度升高時，其體積增大，溫度降低時體積縮小。在相同條件下，氣體膨脹最大，液體膨脹次之，固體膨脹最小。也有少數物質在一定的溫度范圍內，溫度升高時，其體積反而減小。因為物體溫度升高時，分子運動的平均動能增大，分子間的距離也增大，物體的體積隨之而擴大；溫度降低，物體冷卻時分子的平均動能變小，使分子間距離縮短，于是物體的體積就要縮小。又由于固體、液體和氣體分子運動的平均動能大小不同，因而從熱膨脹的宏觀現象來看亦有顯著的區別。
物體由于溫度改變而有脹縮現象。其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導致的體積變化，即熱膨脹系數表示熱膨脹系數α=ΔV/(V*ΔT)，式中ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變，V為物體體積。
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
αc,αa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。