Мета роботи та робоче завдання

Лабораторна робота № 6

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ЛІНІЙНОГО РОЗШИРЕННЯ І КРИТИЧНИХ ТОЧОК В СТАЛЯХ ЗА ДОПОМОГОЮ ДИЛАТОМЕТРА З КАТКОМ

Мета роботи та робоче завдання

Мета роботи: Ознайомитися з конструкцією дилатометра з катком та опанувати принцип його роботи. Набути практичного досвіду побудови дилатометричної кривої в процесі відпуску загартованої сталі. Опанувати методику визначення коефіцієнтів лінійного розширення різних структурних складових сталі.

Для досягнення мети роботи необхідно виконати наступні завдання:

- Опрацювати літературу для опанування фізичних принципів, що лежать в основі дилатометричного аналізу;

- Ознайомитися з конструкцією та принципом роботи дилатометра з катком;

- Побудувати дилатометричну криву для відпуску загартованої сталі;

- Визначити коефіцієнти лінійного розширення різних структурних складових сталі;

- Зробити висновки щодо отриманих результатів.

6.1. Теоретичні відомості

Дилатометричний метод базується на вивченні теплового розширення металів і сплавів, яке є наслідком асиметрії сил притягування (при віддаленні атомів один від одного) і відштовхування (при їх зближенні) між атомами кристалічної гратки в процесі коливальних рухів, які вони здійснюють біля положення рівноваги.

При підвищенні температури, тобто при збільшенні енергії коливань атомів, асиметрія сил притягування і відштовхування зростає, що призводить до зміни об’єму і лінійних розмірів тіла. Ця зміна зворотня. Крім зворотньої зміни розмірів, яка залежить тільки від температури тіла при нагріванні і охолодженні, розміри зразка також можуть змінюватися внаслідок фазових перетворень, алотропних чи інших внутрішніх перебудов. Останню обставину широко використовують для вивчення в металах і сплавах процесів, що пов’язані з поліморфними перетвореннями речовини, розпадом пересичених твердих розчинів та іншими структурними змінами. Зазвичай саме різка зміна лінійних розмірів є найбільш чітким індикатором факту внутрішніх перетворень.

На рис. 6.1 наведено типові криві термічного розширення речовин. Речовина 1 ніяких перетворень протягом усього інтервалу вимірювань не зазнає. В речовинах 2 та 3 перетворення починаються при температурі t₁, а закінчуються при температурі t₂. При цьому в речовині 2 перетворення супроводжується пришвидшеним збільшенням розмірів та зменшенням коефіцієнту термічного розшинення матеріалу після закінчення перетворень (крива після t₂ менш нахилена). Навпаки, речовина 3 внаслідок перетворень зменшується в об’ємі та має вищий коефіцієнт термічного розширення після перетворення.

Рисунок 6.1 – Типові термічні криві матеріалів: 1 – без перетворень, 2 та 3 – з перетворенням, що супроводжується зміною розмірів та коефіцієнта термічного розширення.

За характеристику теплового розширення тіла приймають коефіцієнт лінійного розширення, який виражає відносну зміну лінійних розмірів тіла при зміні його температури на один градус, [1/град]:

, (6.1)

де l – довжина тіла, t ₁ – його температура. Β першому наближенні, за істинний коефіцієнт термічного розширення приймають середнє значення розширення у вузькому інтервалі температур біля температури :

. (6.2)

Зміну об’єму при тепловому розширенні можна виразити рівнянням, аналогічним рівнянню (6.1):

, (6.3)

де – коефіцієнт об’ємного розширення; – об’єм зразка·

Для ізотропних матеріалів кубічних систем , для анізотропних некубічних систем це співвідношення ускладнюється, та може бути виражене наступним чином:

. (6.4)

де , – коефіцієнт лінійного розширення вздовж головної кристалографічної осі і в напрямку, перпендикулярному до головного, відповідно.

Методики визначення теплового розширення матеріалів умовно можна розділити на дві основні групи:

- Прямі - безпосереднього визначення коефіцієнта термічного розширення;;

- Відносні - базуються на порівнянні коефіцієнта термічного розширення досліджуваного матеріалу з коефіцієнтом розширення еталона.

Оскільки методики безпосереднього вимірювання довжини зразка в процесі нагрівання (охолодження) відносяться до досить складних метрологічних задач, для дослідження фазових перетворень в металах і сплавах зазвичай застосовують відносні методики.

Перевагою дилатометричного аналізу є незалежність результатів вимірювань від швидкості нагріву чи охолодження зразка.

6.3 Устаткування, прилади та матеріали

Отже, сукупність методів вимірювання термічного розширення тіл називається дилатометрією. Прилади для дослідження цих процесів називаються дилатометрами. У дослідницькій практиці застосовують дилатометри самих різних конструкцій: інтерферометричні, диференціальні (оптичні, кварцеві), електричні, тощо.

6.3.1 Вибір речовини для дилатометричної трубки

В найпростішому віпадку використання відносної ділатометричної методики, проводять порівняння теплового розширення зразка з розширенням трубки, в якій він міститься. Трубку виготовляють із спеціальної речовини, до властивостей якої висувається декілька вимог:

- жаростійкість (здатність опиратися окисленню при високих температурах);

- жароміцність (здатність витримувати високі температури під навантаженням без пластичного деформуванння);

- стала температурна залежність коефіцієнта лінійного розширення в робочому інтервалі температур (або постійний коефіцієнт лінійного розширення);

- низький коефіцієнт термічного розширення по відношенню до досліджуваного матеріалу;

- відсутність фазових перетворень в робочому інтервалі температур.

При дослідженнях в області температур до 1100⁰ С такою речовиною може слугувати плавлений кварц, який має сталу температурну залежність коефіцієнта лінійного розширення до 1100⁰ С та низький і постійний коефіцієнт термічного розширення:

.

При температурах вищих за 1100 ⁰С плавлений кварц зазнає перетворення (утворюється кристобаліт), і його коефіцієнт лінійного розширення зростає до , що абсолютно неприпустимо для речовини з якої виготовлено обладнання для досліджень.

Для дилатометрів, які працюють при температурах, вищих 1100⁰ С, застосовують трубки зі спеченого окисиду алюмінію, графіту, танталу та ін.

6.3.2 Конструкція та принципи роботи дилатометра з катком

Дилатометр з катком є приладом оптико-механічного типу. Зовнішній вигляд та принципова схема такого дилатометру наведено на рис. 6.2 – 6.3.

Дилатометр складається із двох плоских блоків 3 та 4, між якими затиснуто каток 5 малого діаметра. Один з блоків (4) закріплено на основі дилатометра, другий (3) – рухомий. Розширення зразка 1 при нагріванні передається через штовхач 2. Кварцева трубка 13 зі зразком прикріплюється до основи дилатометра за допомогою перехідної муфти або фланцю 9. Промінь світла від освітлювача 7 відхиляється невеликим дзеркальцем 6, прикріпленим до катка. Таким чином, переміщення світлової плями («зайчика») вздовж шкали 8 пропорційне переміщенню рухомого блоку, тобто, розширенню зразка.

Роботу каткового дилатометра можна стабілізувати, якщо підтримувати каток 5 тонкою струною. Один кінець стальної струни 10 діаметром 0,1 мм, яка проходить через каток, припаяний до опори 11 (рис. 6.2, б), а другий – закріплений гвинтом 12.

а б

Рисунок 6.2. Дилатометр з катком (а – принципова схема, б – схема стабілізації катка): 1 – зразок; 2 – штовкач; 3 – рухомий блок; 4 – нерухомий блок; 5 – каток; 6 – дзеркало; 7 – освітлювач; 8 – шкала; 9 – фланець; 10 – струна;11 – опора; 12 – гвинт;13 – кварцева трубка; 14 – піч; 15 – ЛАТР; 16 – термопара; 17 – мілівольтметр.

а

б в

Рисунок 6.3 – Зовнішній вигляд дилатометра с катком (розшифровка позначок така сама, як на рис. 6.2): а – загальна конструкція, б – трубка зі зразком, в – збільшене зображення основної частини дилатометра.

Використання підтримуючої струни дозволяє позбутися таких недоліків дилатометра, як перекос катка або зміщення світлового "зайчика" при випадкових поштовках.

Кварцева трубка зі зразком нагрівається піччю 14, нагрів якої регулюється за допомогою ЛАТРа 15. ЛАТР (лабораторний автотрансформатор регульований) – це прилад, що призначений для плавного регулювання напруження. Зовнішній вигляд та принципова електрична схема наведені на рис. 6.4.

а б

Рисунок 6.4 - Лабораторний автотрансформатор регульований: а – зовнішній вигляд, б - принципова електрична схема (U₁ – вхідне напруження (джерело струму), U₂ – вихідне напруження (споживач), І₁, І₂ – сила струму в обмотках, W₁, W₂ – кількість витків).

Окрім видовження зразка, при нагріванні необхідно визначати його температуру, яка вимірюється за допомогою хромель-алюмелевої термопари 16. Значення температури визначається за показами мілівольтметра 17. Покази приладу перераховуються в градуси за шкалою Цельсія згідно формули:

Т_х-а = 24,083·U + 20, (6.5)

де U – напруга в мВ.

Переваги дилатометрів з катком – можливість легко отримувати збільшення в 2000–4000 разів і мала варіація, яка дозволяє проводити вимірювання з точністю до довжини зразка.

6.4 Методика вирішення експериментального завдання

При розрахунку коефіцієнта термічного розширення слід враховувати, що при нагріванні розширюється не тільки зразок, а й кварцева трубка; тому показання дилатометра відповідають різниці цих розширень. Слід зазначити, що розширення трубки за границями довжини зразка компенсуються таким же розширенням кварцевого штовхача. При розрахунках необхідно врахувати і коефіцієнт збільшення дилатометра К, який дорівнює відношенню довжини оптичного важіля дзеркала (радіуса шкали) R до радіуса катка r:

. (6.6)

Для даного дилатометра мм, мм.

Тоді показання дилатометра при певній температурі, що відраховуються за шкалою, дорівнюють

, (6.7)

де , – видовження відповідно зразка і такої ж за розмірами ділянки кварцевої трубки.

Середній коефіцієнт термічного розширення буде дорівнювати:

, (6.8)

де і – показання дилатометра при температурі і , відповідно.

Поділивши обидві частини (6.8) на де – початкова довжина зразка, отримаємо:

, (6.9)

Звідки, згідно формули (6.2):

. (6.10)

Істинний коефіцієнт термічного розширення можна отримати із (6.10), замінивши на Останню величину визначають графічно або чисельним диференціюванням дилатометричної кривої.

Таким чином,

. (6.11)

або, беручи до уваги масштаби вздовж осей розширення та температури, і , відповідно, отримуємо:

, (6.12)

де – кут нахилу дотичної до дилатограми в точці, яка відповідає температурі t.

Середні значення коефіцієнту термічного розширення різних фаз, що присутні в сталях, наведено в табл. 6.1.

Таблиця 6.1 - Лінійні коефіцієнти термічного розширення фаз в сталі

Дата добавления: 2015-07-11