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Análise da Expansão Térmica via Dilatometria

Visão Geral

Fonte: J. Jacob Chavez, Ryan T. Davis, e Taylor D. Sparks, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Utah, Salt Lake City, UT

A expansão térmica é extremamente importante quando se considera quais materiais serão utilizados em sistemas que experimentam flutuações na temperatura. Uma expansão térmica alta ou baixa em um material pode ou não ser desejável, dependendo da aplicação. Por exemplo, em um termômetro líquido comum, um material com alta expansão térmica seria desejável devido à sua sensibilidade às mudanças de temperatura. Por outro lado, um componente em um sistema que experimenta altas temperaturas, como um ônibus espacial reentrando na atmosfera, precisará de um material que não se expanda e contraa com grandes flutuações de temperatura, a fim de evitar estresses térmicos e fraturas.

Dilatometria é uma técnica usada para medir as dimensões da área, forma, comprimento ou mudança de volume de um material em função da temperatura. Um uso principal para um dilatômetro é o cálculo da expansão térmica de uma substância. As dimensões da maioria dos materiais aumentam quando são aquecidos a uma pressão constante. A expansão térmica é obtida registrando a contração ou expansão em resposta às mudanças de temperatura.

Procedimento

Ligue e configure. Comece alimentando o computador, equilibrando a temperatura da amostra garantindo que esteja em temperatura ambiente (cerca de 20°C) e dilatômetro ligado. Certifique-se de que o sistema de resfriamento está funcionando e o gás nitrogênio está fluindo junto com todos os outros sistemas necessários. O gás nitrogênio precisará ser ligado entre quando o forno estiver ligado e quando a amostra for inserida para testes. A pressão para o gás será específica para o dilatômetro, para o nosso é de 10 psi.
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Resultados

Os resultados dos dilatômetros geralmente incluem dados de temperaturas, comprimentos de expansão e tempo. Diferentes softwares usados em conjunto com dilatômetros podem retornar resultados de diferentes maneiras. Alguns softwares apenas retornam pontos de dados, enquanto outros têm funções de plotagem e outros recursos de análise. O software utilizado no procedimento acima utilizou WorkHorseTM. Este programa retorna dados em um arquivo .txt que pode ser plotado usando um software ...

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Aplicação e Resumo

A dilatometria é uma técnica para medir a expansão térmica dimensional de um material. Frequentemente esse valor é encontrado medindo a mudança de comprimento à medida que um material é aquecido e resfriado. A expansão térmica é quantificada pela mudança de comprimento dividida pelo comprimento inicial. Além da expansão térmica, a técnica oferece insights sobre formação de vagas, mudanças de fase e evolução de deslocamento em resposta aos tratamentos térmicos.

Embora det...

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Ligue e configure. Comece alimentando o computador, equilibrando a temperatura da amostra garantindo que esteja em temperatura ambiente (cerca de 20°C) e dilatômetro ligado. Certifique-se de que o sistema de resfriamento está funcionando e o gás nitrogênio está fluindo junto com todos os outros sistemas necessários. O gás nitrogênio precisará ser ligado entre quando o forno estiver ligado e quando a amostra for inserida para testes. A pressão para o gás será específica para o dilatômetro, para o nosso é de 10 psi.
Determine qual experimento será conduzido: calibração ou expansão. Para qualquer conjunto de testes de expansão, um teste de calibração deve ser realizado antes para referência. Ao fazer um teste de expansão, selecione a calibração mais recente que atende ou excede sua faixa de temperatura máxima e, preferencialmente, é executada na mesma velocidade de rampa de temperatura. Ao fazer uma calibração para experimentos subsequentes, utilize um padrão conhecido. Usaremos uma medição de calibração anterior do cristallox padrão conhecido. (Se um teste de calibração ou expansão está sendo executado, o processo de preparação da amostra, configuração da máquina e estabelecimento de parâmetros será o mesmo.)
Preparação de amostras. Para nosso experimento, vamos testar um material de metal. Meça com precisão o comprimento da amostra usando pinças de alta qualidade antes de inserir a amostra no forno. Faça várias medidas ao longo do comprimento para estabelecer erro de medição. A amostra deve ser longa o suficiente para permitir que o pushrod exerça alguma força no topo da amostra. Se a amostra não for alta o suficiente, utilize espaçadores de um material conhecido (meça a altura destes para que a expansão possa ser subtraída dos resultados). As extremidades da amostra devem ser paralelas dentro de 1 grau.
Insira amostra. Limpe a superfície inferior do forno para garantir que a amostra tenha um lugar plano para suportar. Abaixe o pushrod até que entre em contato com a parte superior da amostra. Abaixe o tubo de volta para o forno e certifique-se de que a amostra não se deslocou durante a redução verificando o medidor de deslocamento.
Estabeleça parâmetros. Siga as normas ASTM E 228 para o tipo de material. Os parâmetros importantes incluem temperatura máxima, taxa de rampa de aquecimento, tempo de moradia, taxa de rampa de resfriamento, número de repetições e tempo de moradia entre repetições. Seus parâmetros devem corresponder à calibração que você está usando o mais de perto possível. Deixe que a temperatura da amostra atinja o equilíbrio dentro do ambiente do tubo de carga, à temperatura ambiente. A amostra metálica deve ser retirada de uma temperatura de 20°C a 1000°C. Aqueça ou esfrie a uma taxa constante igual ou inferior a 5°C/min. Não faremos nenhuma repetição neste teste. A temperatura máxima do forno para este dispositivo é de 1200°C.
Verificar a configuração. Antes de iniciar o teste e ir embora, verifique se todos os sistemas estão ligados e funcionando, especialmente o forno. Muitos dilatômetros usam um fluxo de gás nitrogênio para manter a atmosfera do teste inerte e constante, verificar que o gás de purga de nitrogênio está fluindo.
Iniciar o teste. O teste de início e os dados em tempo real estarão disponíveis para monitoramento. Se necessário, o teste pode ser cancelado.
Salve dados. Exportar e salvar dados para o formato desejado pelo usuário, isso vai variar dependendo de como os dados serão analisados e apresentados. Normalmente, cada amostra deve ser executada três vezes, com o primeiro conjunto de dados descartados devido à expansão e contração mais significativas devido ao ressarem térmico da amostra.
Desligado. Verifique se todos os sistemas estão desligados, incluindo o forno, o sistema de resfriamento e o gás de purga. Remova as amostras do forno depois de garantir que o forno seja resfriado a temperatura ambiente próxima. Limpe o espaço de trabalho.
Analisar dados. Importe dados e crie gráficos e visuais para representar efetivamente seus dados.

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