Градуювання диференційного оптичного

дилатометру типу Шевенара

Лабораторна робота № 7 диференційний дилатометричний аналіз. Частина 1. Градуювання диференційного оптичного дилатометра типу шевенара

7.1. Мета роботи та робоче завдання

Мета роботи: Ознайомитися з конструкцією диференційного оптичного дилатометра типу Шевенара. Набути практичного досвіду побудови градуювальної сітки для подальших досліджень.

Для досягнення мети роботи необхідно виконати наступні завдання:

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

• Ознайомитися з конструкцією та принципом роботи диференційного оптичного дилатометра типу Шевенара;

• Опанувати методику побудови градуювальної сітки;

• Побудувати градуювальну сітку;

• Зробити висновки щодо отриманих результатів.

7.2. Теоретичні відомості

У відповідності до основних законів термодинаміки, нагрів матеріалу завжди супроводжується термічним розширенням, внаслідок збільшення міжатомної відстані в кристалічній гратці металів і сплавів. Зміна питомих об'ємів фаз і структур, при певних зовнішніх впливах, також супроводжується розширенням або стисканням. Розвиток фазових перетворень в процесі термічного впливу зазвичай супроводжується значними об’ємними ефектами розширення або стиску, величина яких може перевищувати об’ємні зміни, пов’язані із звичайним монотонним термічним розширенням. В зв'язку з цим при температурах фазових перетворень спостерігається стрибкоподібна зміна об'єму, лінійних розмірів і коефіцієнта розширення. Це дозволяє встановити температури фазових перетворень (критичні точки), величину об'ємних ефектів, які при цьому спостерігаються, розрахувати коефіцієнти термічного розширення.

Як зазначалося в попередній лабораторній роботі, видовження зразка при нагріванні описується виразом:

(7.1)

де l – довжина тіла, t₁ – його температура, - істинний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу. Експериментальне визначення коефіцієнтів розширення виконується в певномі інтервалі температур Δt = t₂ −t₁, де t₁ – початкова, а t₂ – кінцева температура. Цим температурам відповідають об’єми зразків V₁ та V₂ або їх довжини l₁ и l₂ . Тоді можна записати:

(7.2)

(7.3)

В цих виразах та - середній об’ємний та середній лінійний коефіцієнти термічного розширення, відповідно. Вони визначені в достатньо вузькому температурному інтервалі. На рис. 7.1 схематично зображено можливі варіанти зміни об’ємного коефіціенту термічного розширення. Значення середніх коефіціентів співпадають з істинними, якщо коефіціенти розширення постійні, або лінійно залежать від температури (див. рис. 7.1, а).

Якщо залежність від температури має від’ємну кривизну (див. рис. 7.1, б), тобто , то . В протилежному випадку, коли буде (див. рис. 7.1, в).

а б в

Рисунок 7.1 – Співвідношення між середнім ( ) та істинним (β) коефіцієнтами об’ємного теплового розширення матеріалу в залежності від загального виду кривої β = f(t).

Для отримання достовірних результатів, необхідно, щоб похибки визначення коефіцієнтів термічного розширення матеріалів були невеликі. Для цього потрібно правильно обирати температурні інтервали Δt. Для вимірювань при температурах до 10 К обирають Δt ≤ 1 К, при температурах в інтервалі 0,1θ < T < θ (θ – температура Дебая¹) - Δt ≤10 К. При θ < T < 2θ всі параметри, що визначають рівень коефіцієнтів термічного розширення практично не залежать від температури, й інтервад можна розширити до Δt ≈ 50°. Нарешті, в області T > 2θ , де температурна залежність коефіцієнту розширення підсилюється, інтервал знову має бути зменшений. Конкретні значення обираються для кожного випадку окремо.

При температурах, віддалених від кімнатної, точно визначити об’ємні перетворення досить складно, тому зазвичай використовують лінійний коефіцієнт термічного розширення. Для кращого виявлення навіть незначних лінійних ефектів фазових перетворень використовують дилатометри, які працюють за диференційною схемою в якій вимірюється різниця видовжень зразка та еталона.

До матеріалу з якого виготовляють еталони висувається ряд вимог:

- підвищена жаростійкість;

- задовільна жароміцність;

- відсутність фазових перетворень в інтервалі температур дослідження;

- коефіцієнти його термічного розширення повинні бути відомі, не сильно відрізнятись від коефіцієнтів матеріалу;

- оборотність термічних властивостей (форма та розміри зразка та його коефіцієнт термічного розширення мають не змінюватися при багаторазових нагріваннях і охолодженнях).

Для сталей найчастіше як еталон використовують сплав на основі нікелю під назвою “пірос”. Хімічний склад цього сплаву: нікель – 82 %, хром – 7 %, вольфрам – 5 %, залізо – 3 %, марганець – 3 %. Цей сплав не окислюється при високих температурах, не зазнає фазових перетворень до температури 1100 ⁰С, а його коефіцієнт лінійного розширення виміряний точно і за величиною він менший від γ-Fe і більший від α-Fe (див. табл. 7.1).