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

Лабораторна робота № 6 визначення коефіцієнта лінійного розширення і критичних точок в сталях за допомогою дилатометра з катком

6.1. 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, t₁ – 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.