2.1.4. Дифференциально-сканирующая калориметрия

В методе дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) измеряется поток тепла между образцом и ячейкой, в то время как температура ячейки с образцом изменяется по некоторой программе (с нагревом или охлаждением). Иными словами, измеряется тепло, поглощаемое (в эндотермическом процессе) или выделяемое (в экзотермическом процессе) образцом. Происходящие при нагреве образца физические и химические процессы связаны с поглощением или выделением энергии или изменением удельной теплоемкости материала. Такие процессы проявляются на экспериментальной кривой ДСК . Интегрирование пика (определение его площади) дает энергию перехода или теплоту реакции (рис.2.4).

Рисунок 2.4. Кривая ДСК образца поливинилхлорида

На рис. 2.4 приведена кривая ДСК для того же образца из ПВХ (рис.2.1), снятой при скорости нагрева 10 K/мин в атмосфере азота (расход 70 мл/мин). На кривой видны четыре последовательных эффекта:

- переход стеклования с релаксационным пиком. Его вид определяется термической предысторией образца. Пластифицированный ПВХ может иметь точку стеклования Tg ниже 0°C, а для непластифицированного ПВХ характерны Tg в районе 80°C;

Широкий эндотермический эффект с площадью "A" между точкой стеклования и примерно 190°C, соответствующей температуре обработки, соответствует плавлению частично гелированного ПВХ;

Дальнейший широкий эндотермический эффект в диапазоне температур от 190°C до 240°C с площадью "B", соответствует плавлению негелированных областей ПВХ в ходе измерения;

Выше 250°C начинается разложение ПВХ. Тот факт, что разложение практически всегда начинается экзотермически, может объясняться реакцией между выделяемым хлороводородом и алюминиевым тиглем. Измеряемая таким образом температура начала разложения находится в хорошем соответствии с температурой (рис.2.1), определяемой методом термогравиметрического анализа .

2.1.5. Термомеханический анализ

Обобщающий анализ механических свойств материала с учетом температуры и времени оказывается очень сложным и не укладывается и простые экспериментально полученные кривые, подобные, например, диаграммам растяжения (рис.2.5).

Рисунок 2.5. Типичные диаграммы для углеродистой стали

 Функциональная зависимость между четырьмя параметрами σ, ε, Тº и временем t

f (σ, ε, Тº, t)=0                                                                                 (2.1)

не является однозначной и содержит в сложном виде дифференциальные и интегральные соотношения входящих в неё величин .

Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривается в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы производится в основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно изменяющиеся, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.

Основными являются медленно изменяющиеся, или статические нагрузки. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материалов   в так называемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок.

Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации  , то можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкристаллических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.

Как видно из приведенных кривых (рис.2.6), модуль упругости в пределах изменения температуры от -200°С до 300°С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина σB_ВРB и, особенно, δ, причем имеет место, как говорят, «охрупчивание» стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.

 

 

а)                                                               б)

Рисунок 2.6. Зависимость от температуры модуля Юнга Е, пределов текучести σB_ТРB, пределов прочности σB_ВРB и удлинения при разрыве δ для хромомарганцовой (а) и малоуглеродистой стали (б)

Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название ползучести. Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение размеров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.

Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации. Релаксацию можно наблюдать, в частности, на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких температур (рис.2.7).

 

 

Рисунок 2.7. Диаграммы релаксации

Основными механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности  называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.

 Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения и выбирается равным сроку службы детали, меняясь в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности, который с увеличением времени падает.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.

Как видим, для определения предела ползучести необходимо задать интервал времени (который определяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется условиями эксплуатации детали). Предел длительной прочности и предел ползучести сильно зависят от температуры с увеличением которой - уменьшаются.

Таким образом, на установках термомеханического анализа определяют температурный коэффициент линейного расширения   и температурный коэффициент модуля упругости   , которые   связаны между собой соотношением

 или                                                    (2.2)

где r и m — постоянные, характеризующие параметры кристаллической решетки,

после чего вычисляют остальные параметры.