JoVE Logo

Sign In

ניתוח התפשטות תרמית באמצעות דילאטומטריה

Overview

מקור: ג'יי ג'ייקוב צ'אבס, ריאן טי דייוויס וטיילור ד. ספארקס, המחלקה למדע והנדסה של חומרים, אוניברסיטת יוטה, סולט לייק סיטי, UT

התפשטות תרמית חשובה ביותר כאשר שוקלים אילו חומרים ישמשו במערכות שחוות תנודות בטמפרטורה. התפשטות תרמית גבוהה או נמוכה בחומר עשויה או לא עשויה להיות רצויה, בהתאם ליישום. לדוגמה, במדחום נוזלי נפוץ, חומר עם התפשטות תרמית גבוהה יהיה רצוי בשל רגישותו לשינויי טמפרטורה. מצד שני, רכיב במערכת שחווה טמפרטורות גבוהות, כגון מעבורת חלל שחוזרים לאטמוספרה, יזדקק לחומר שלא יתרחב ויתכווץ עם תנודות טמפרטורה גדולות כדי למנוע לחצים תרמיים ושברים.

דילאטומטריה היא טכניקה המשמשת למדידת מידות שינויי השטח, הצורה, האורך או הנפח של חומר כפונקציה של טמפרטורה. שימוש עיקרי עבור דילאטומטר הוא חישוב של התפשטות תרמית של חומר. הממדים של רוב החומרים להגדיל כאשר הם מחוממים בלחץ מתמיד. ההתפשטות התרמית מתקבלת על ידי רישום ההתכווצות או ההתרחבות בתגובה לשינויים בטמפרטורה.

Principles

דילאטומטריה מבוצעת על ידי מדידת האורך ההתחלתי הראשון של המדגם ביד באמצעות calipers, ולאחר מכן מדידת אורך המדגם בזמן שהוא נתון לטמפרטורות שצוינו עבור כמויות זמן שצוינו, מדידה זו תירשם על ידי מד רגיש בדילטומטר. בזמן המדגם נמדד גז טיהור יהיה זורם דרך הכבשן; (ארגון, חנקן, וכו ') זה יספק תנאי אטמוספרה עקביים, כמו גם כדי לשמור על המדגם מ חמצון עם חמצן באוויר. לאחר מכן, המדגם מחומם לטמפרטורה שצוינה בקצב מסוים, והשינויים בממדים נרשמים במד מדידה רגיש. השינוי בממדים יכול להיות הרחבה או התכווצות. לאחר מכן מחושבת התפשטות תרמית על ידי חלוקת השינוי באורך (L) לפי האורך ההתחלתי של המדגם (). תהליך זה מניב את ההתפשטות התרמית הליניארית הממוצעת של החומר. מספר מדידות של כל מדגם מניבות תוצאות מדויקות יותר.

התפשטות תרמית יכולה להיות מיידית (השיפוע של האורך לעומת הטמפרטורה) או ממוצע (שינוי נטו באורך על פני טווח טמפרטורה). הערך יכול להיות ליניארי אם רק אורך נמדד או נפחי אם השינוי בנפח המדגם מוערך.

דילאטומטריה יכולה להתבצע באמצעות מספר שיטות. הדילטומטר בניסוי זה משתמש בשיטת דחיפה-בר אנכית. (איור 1) ההתפשטות התרמית שחווה המדגם מועברת לחיישן ההעתקה על ידי המוט המחובר. עם זאת, מאז המוט חשוף גם לטמפרטורה הגבוהה בכבשן, גם הוא חווה התפשטות תרמית. לכן, יש לתקן את המדידה המתקבלת.

Figure 1
איור 1: סכמטי של דילטומטר מוט דחיפה אנכי סטנדרטי.

טכנולוגיה דומה למדידת התפשטות תרמית היא אינטרפרומטריית לייזר מישלסון. הטכניקה משתמשת בלייזרים ומראות מדויקים כדי למדוד התפשטות תרמית. אופטיקה איכותית, פוטו-דקטורים וטכניקות אינטרפולציה מאפשרות רזולוציית אורך לכ-1 ננומטר. תכונה ייחודית של אינטרפרומטריה היא ההגבלה הקטנה על גודל או צורה של המדגם. טכניקה דומה נוספת היא עקיפה של קרני רנטגן עם המדגם על במה מחוממת. מאז עקיפה רנטגן יכול בקלות לקבוע פרמטר סריג, ניתן למדוד איך הפרמטר הסריג משתנה עם טמפרטורה לחלץ מקדם התפשטות תרמית.

Procedure

  1. הפעלה והגדרת מכונה. התחל עם הפעלה של המחשב, איזון טמפרטורת המדגם להבטיח שהוא בטמפרטורת החדר (כ 20 מעלות צלזיוס), ו dilatometer על. ודא שמערכת הקירור פועלת וגז חנקן זורם יחד עם כל המערכות הדרושות האחרות. גז החנקן יצטרך להיות מופעל בין כאשר הכבשן מופעל וכאשר המדגם מוכנס לבדיקה. הלחץ לגז יהיה ספציפי לדילטומטר, עבורנו זה 10 פסאיי.
  2. קבע איזה ניסוי יבוצע: כיול או הרחבה. עבור כל קבוצה של בדיקות הרחבה, יש לבצע בדיקת כיול לפני ההתייחסות. בעת ביצוע בדיקת הרחבה, בחר את הכיול העדכני ביותר שעונה על טווח הטמפרטורה המרבי שלך או עולה על הטמפרטורה המרבית שלך ועדיף לרוץ באותו קצב שיפוע טמפרטורה. בעת ביצוע כיול לניסויים הבאים, השתמש בתקן ידוע. נשתמש במדידת כיול שנוהלה בעבר של קריסטלוקס הסטנדרטי הידוע. (בין אם מתבצעת בדיקת כיול או הרחבה, תהליך הכנת המדגם, הגדרת המכונה והקמת הפרמטרים יהיו זהים.)
  3. הכנה לדוגמה. לניסוי שלנו נבדוק חומר מתכתי. למדוד במדויק את אורך המדגם באמצעות calipers באיכות גבוהה לפני החדרת המדגם לתוך התנור. קח מספר מדידות לאורך כדי ליצור שגיאת מדידה. המדגם צריך להיות ארוך מספיק כדי לאפשר pushrod להפעיל קצת כוח על החלק העליון של המדגם. אם המדגם אינו גבוה מספיק, השתמש במרווחים של חומר ידוע (מדוד את הגובה של אלה כך שניתן יהיה להפחית את ההרחבה מהתוצאות). קצות המדגם חייבים להיות מקבילים בתוך 1 מעלות.
  4. הוסף דוגמה. נקו את המשטח התחתון של הכבשן כדי להבטיח שלדגימה יש מקום שטוח לעמוד בו. מנמיכים את הדחיפה עד שהיא יוצרת קשר עם החלק העליון של המדגם. הורידו את הצינור בחזרה לכבשן וודאו שהדגימה לא זזה במהלך ההנמכה על ידי בדיקת מד ההעתקה.
  5. קבע פרמטרים. בצע את תקני ASTM E 228 עבור סוג החומר. הפרמטרים החשובים כוללים טמפרטורה מקסימלית, קצב הרמפה לחימום, זמן התעכבות, קצב הרמפה לקירור, מספר החזרות וזמן ההשתהות בין החזרות. הפרמטרים שלך צריכים להתאים לכיול שאתה משתמש בו קרוב ככל האפשר. אפשר לטמפרטורת המדגם להגיע לשיווי משקל בסביבת צינור הטעינה, בטמפרטורת החדר. דגימת המתכת עם להילקח מטמפרטורה של 20°C עד 1000°C. מחממים או מצננים בקצב קבוע השווה ל-5 מעלות צלזיוס/דקה או פחות. אנחנו לא נעשה שום חזרות במבחן הזה. טמפרטורת התנור המרבית עבור מכשיר זה היא 1200°C.
  6. אמת את הגדרתה. לפני תחילת הבדיקה והליכה משם, לבדוק שוב כי כל המערכות פועלות ומתפקדות, במיוחד את התנור. דילטומטרים רבים משתמשים בזרימה של גז חנקן כדי לשמור על האטמוספירה של הבדיקה אדיש וקבוע, לוודא גז טיהור חנקן זורם.
  7. התחל בדיקה ונתונים בזמן אמת יהיו זמינים לניטור. במידת הצורך, ניתן לבטל את הבדיקה.
  8. שמור נתונים. יצא ושמור נתונים בתבנית הרצויה של המשתמש, פעולה זו תשתנה בהתאם לאופן שבו הנתונים ינותחו ויוצגו. בדרך כלל, כל דגימה צריכה להיות מופעלת שלוש פעמים, עם קבוצה הראשונה של נתונים נמחק עקב התרחבות משמעותית יותר התכווצות בגלל חישול תרמי של המדגם.
  9. כיבוי. ודא שכל המערכות מושבתות כולל הכבשן, מערכת הקירור וגז הטיהור. הסר את הדגימות מן הכבשן לאחר הבטחת כי התנור מקורר לטמפרטורת החדר הקרובה. נקה סביבת עבודה.
  10. ניתוח נתונים. יבא נתונים וצור גרפים ומצגים חזותיים כדי לייצג ביעילות את הנתונים שלך.

Results

התוצאות של dilatometers כוללות בדרך כלל נתונים של טמפרטורות, אורכי הרחבה, וזמן. תוכנות שונות המשמשות יחד עם דילטומטרים יכולות להחזיר תוצאות בדרכים שונות. תוכנות מסוימות מחזירות נקודות נתונים בלבד, בעוד שאחרות כוללות פונקציות התוויית ותכונות ניתוח אחרות. התוכנה המשמשת בהליך לעיל השתמשה WorkHorseTM. תוכנית זו מחזירה נתונים בקובץ .txt שניתן להתוות באמצעות תוכנה כגון- Matlab, Qtgrace או Excel. איור 2 מראה שלוש מתכות שונות מתרחבות ומתכווצות ככל שהטמפרטורה עולה ומונמכת.

Figure 2
איור 2: השינוי באורך כפונקציה של הטמפרטורה מתוות פלדת אל-חלד, פלדה קרה ואלומיניום. הדגימות מחוממות ולאחר מכן מקוררות במדידות אורך מתמשכות כדי לבחון אם קיימת היסטריה כלשהי.

התפשטות תרמית היא לא תמיד פונקציה ליניארית. משמעות הדבר היא כי מקדם ההתפשטות התרמית אינו תמיד קבוע. כפי שניתן לראות באיור 2, יש אירוע התפשטות תרמית יוצא דופן המתרחש בפלדה קרה בין 700oC ו 900oC. במקרה של נירוסטה ואלומיניום ההתפשטות התרמית, כמו גם התכווצות, בצע מדרון ליניארי. עם זאת, עבור פלדה עבד קר ההתרחבות והתכווצות בעקבות שינוי לא ליניארי. ניתן לייחס זאת לפרוק בפלדה הקרה. מיקומים שבהם מתרחשת התאוששות נקע יכולים לחוות התרחבות/התכווצות שונות לעומת מיקומים שבהם מתרחשת הרחבה/התכווצות רגילה.

Application and Summary

דילאטומטריה היא טכניקה למדידת ההתפשטות התרמית הממדית של חומר. לעתים קרובות ערך זה נמצא על ידי מדידת השינוי באורך כמו חומר מחומם מקורר. התפשטות תרמית מכומתת על ידי שינוי באורך חלקי האורך ההתחלתי. בנוסף להתרחבות תרמית, הטכניקה מציעה תובנות על היווצרות משרה פנויה, שינויי פאזה והתפתחות נקע בתגובה לטיפולי חום.

בעוד קביעת התפשטות תרמית של חומרים היא שימוש פופולרי מאוד עבור dilatometers, ישנם יישומים אחרים עבורם. לדוגמה, מכשירים אלה יכולים לשמש גם כשיטה לניטור שינויי פאזה בסגסוגות מסוימות. קביעת צפיפות נקע היא יישום נוסף של דילאטומטריה.

ניטור שינויי פאזה: היישום של דילאטומטריה במחקר שינוי פאזה נובע משינוי הנפח הספציפי של מדגם במהלך טרנספורמציה פאזה. מבנה הסריג משתנה כאשר חומר עובר שינוי פאזה. על ידי הקלטת התמורות המתרחשות על פני מגוון תנאים, ניתן להציג את התוצאות בצורה גרפית. זה מראה את טמפרטורות היווצרות של מרכיבים מיקרו-מבניים שניתן להשיג עבור מצב קירור או חימום נתון. טכניקה זו נמצאת בשימוש נרחב כדי ללמוד את התנהגות הטרנספורמציה של הפלדות במהלך חימום מתמשך, קירור, אחיזה איזותרמית. יש לזה ערך עצום ביישומים מתכות. זה חשוב בתעשיות הנדסיות שבהן פלדות משמשות לבנייה.

צפיפות נקע: נקע תופס נפח ולכן, כמו שינויים צפיפות נקע בתגובה לטיפולי חום, dilatometry יכול לשמש כדי לבחון ולכומת פריקה. דילטומטריה ברזולוציה גבוהה הרחיבה את הטכניקה לחקר שינויי מרקם וסידור מחדש והשמדה של פריקה הקשורים לתהליך ההתאוששות והשחזור. דילטומטריה ברזולוציה גבוהה, יחד עם מודל של דילול איזוטרופי ונפחים אטומיים ניתן להשתמש להעריך את צפיפות הנקע שהוכנסה במיקרו מבנים עקב פירוק איזותרמי של אוסטיניט.

Tags

Thermal ExpansionDilatometryMaterialTemperature FluctuationMeasurement TechniqueArea ChangeShape ChangeLength ChangeVolume ChangeThermal Expansion CalculationDilatometerMetal SampleLaboratory ExperimentCalipersFurnacePush BarPurge GasOxidation PreventionHeatingPredetermined TemperatureSpecified RateDisplacement SensorCorrection FactorLinear Thermal Expansion

Skip to...

0:07

Overview

0:46

Principles of Dilatometry

2:41

Dilatometry Measurement

6:09

Representative Results

7:52

Applications

9:10

Summary

Videos from this collection:

article

Now Playing

ניתוח התפשטות תרמית באמצעות דילאטומטריה

Materials Engineering

16.0K Views

article

חומר אופטי חלק 1: הכנת מדגם

Materials Engineering

15.6K Views

article

חומרוגרפיה אופטית חלק 2: ניתוח תמונה

Materials Engineering

11.1K Views

article

ספקטרוסקופיית פוטואלקטרון רנטגן

Materials Engineering

21.9K Views

article

עקיפה של קרני רנטגן

Materials Engineering

89.7K Views

article

קורות יונים ממוקדות

Materials Engineering

9.0K Views

article

התגבשות כיוונית וייצוב פאזה

Materials Engineering

6.7K Views

article

קלורימטריה סריקה דיפרנציאלית

Materials Engineering

38.7K Views

article

דיפוזיה תרמית ושיטת פלאש לייזר

Materials Engineering

13.4K Views

article

אלקטרופלינט של סרטים דקים

Materials Engineering

20.2K Views

article

ספקטרוסקופיית מכשולים אלקטרוכימית

Materials Engineering

23.4K Views

article

חומרים מרוכבים מטריקס קרמיקה ומאפייני הכיפוף שלהם

Materials Engineering

8.4K Views

article

סגסוגות ננו-קריסטלין ויציבות גודל ננו-גרגר

Materials Engineering

5.2K Views

article

סינתזה הידרוג'ל

Materials Engineering

23.8K Views

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved