Способ определения термического коэффициента линейного расширения материалов

 

Изобретение относится к области испытаний материалов с применением тепловых средств, а именно к области дилатометрии. Цель изобретения - повышение точности чувствительности и достоверности. Исследуемый образец в виде протяженного тела и ограниченного реперами помещают на базовую плоскость, изменяют температуру образца и измеряют расстояние между реперами посредством регистрации расстояния между точками пересечения линий, скрещенных в плоскости, перпендикулярной реперам, и соединяющих реперы с опорными точками, с контрольной плоскостью . Дополнительно фиксируют расстояние между точками на контрольной плоскости, а после нагрева образца перемещают контрольную плоскость параллельно исходному положению до достижения фиксированного состояния между точками, а об искомой характеристике судят по величине этого перемещения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. СП с

СОК)3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

)s G 01 N 25!16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4868017/25 (22) 03.08.90 (46) 30.11,92. Бюл. N.. 44 (71) Государственное специальное конструкторское бюро теплофизического приборостроения (72) Б.Г.Начкебия, В,А,Вертоградский, В.Ф.Капустин и Д.А.Тайц (56) Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов./Под общ. ред. А.Т,Туманова. M.: Машиностроение, 1971, т, 1, с. 309-311.

Авторское свидетельство СССР

N. 178530, кл. G 01 N 25/16, 1964. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕ"

СКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО

РАСШИРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к области испытаний материалов с применением тепловых

Изобретение относится к области испытаний материалов с применением тепловых средств, а именно, к области дилатометрии.

Известен способ измерения термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР), состоящий в том, что изменяют температуру образца и регистрируют изменение расстояния между концевыми точками образца (реперами) посредством измерительного микроскопа.

Недостатком этого способа является orpaawea a точность, обусловленная возможными влияниями относительных смещений образца и измерителя удлинения в процессе измерения, „„ А),, 1778656 Al средств, а именно к области дилатометрии.

Цель изобретения — повышение точности чувствительности и достоверности. Исследуемый образец в виде протяженного тела и ограниченного реперами помещают на базовую плоскость, изменяют температуру образца и измеряют расстояние между реперами посредством регистрации расстояния между точками пересечения линий, скрещенных в плоскости, перпендикулярной реперам, и соединяющих реперы с опорными точками, с контрольной плоскостью, Дополнительно фиксируют расстояние между точками на контрольной плоскости, а после нагрева образца перемещают контрольную плоскость параллельно исходному положению до достижения фиксированного состояния между точками, а об искомой характеристике судят по величине этого перемещения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Прототипом предлагаемого способа является способ измерения термического коэффициента линейного расширения материалов, состоящий в том, что выбирают образец в виде протяженного тела, ограниченного базовой плоскостью и реперами в виде лежащих в этой плоскости параллельных между собой ребер, изменяют температуру образца и измеряют соответствующее ему изменение расстояния между реперами посредством регистрации взаимного перемещения двух прямых линий, скрещенных в плоскости, перпендикулярной реперам и соединяющих реперы с опорными точками, равноудаленными от базовой плоскости на фиксированное расстояние, на основании чего судят об искомой величине.

1778656

Недостатком способа-прототипа является ограниченная точность. Это обусловлено бесконтактным способом измерения перемещения точки пересечения упомянутых линий, т.е. предопределенностью применения не самых точных измерителей перемещения, а также предопределенностью внесения субъективных погрешностей наблюдения перемещения оператором; недостатком является также ограниченная 10 чувствительность (ограниченность отношения подлежащего измерению изменения размера образца к регистрируемому взаимному перемещению линий при фиксированных длине образца и расстояний от него до опорных точек), Цель изобретения — повышение точности, чувствительности и достоверности.

Сущность изобретения иллюстрируется фигурами 1-4 фиг, 1 — схема взаимного расположения реперов образца, опорных и контролируемых точек по предлагаемому способу; фиг. 2 — схема устройства для реализации способа; фиг. 3 — схема нижней части устройства в случае выполнения пластины с возможностью ее перемещения в направлении нормали к ее контрольной плоскости; фиг, 4 — соотношение между геометрическими величинами при выводе. расчетной формулы.

Существо изобретения поясняется фиг.

1. На ней представлены: образец 1, ограниченный его базовой плоскостью 2 и реперами А, В; плоскость 3, параллельная плоскости 2 и зафиксированная на неизменном расстоянии от нее, на плоскости 3 размещены неподвижные опорные точки: С, 0; контрольная плоскость 4, параллельная плоскости 2, на контрольной плоскости 4 отмечены точки В1 и А, являющиеся точками пересечения контрольной плоскости 4 линиями, продолжающими отрезки ВС и

AD, соответственно.

Линии АА1 лежат в плоскости чертежа; точки A. В, С, D, В1, А> являются проекциями на плоскости чертежа перпендикулярных ей линий.

Отрезок В1А1 является "перевернутой проекцией" отрезка АВ. При фиксировании в пространстве взаимного положения плоскостей 2,3,4 относительное изменение расстояния между реперами образца А, В (т.е. изменение этого расстояния в долях или процентах) равно относительному изменению длины отрезка А1В1. Поскольку для измерения искомой величины — ТКЛ P необходимо знать, именно, относительное изменение размера образца, то регистра20

55 ция изменения длины отрезка А181, соответствующего контролируемому изменению температуры образца достаточно для измерения.

Точки С и 0 в соответствии с предложением могут быть соединены в одну; соответствие относительных изменений отрезков

АВ и А1В1 при этом сохраняется.

Уменьшение числа элементов кинематической схемы способствует повышению точности.

Предлагается также фиксировать исходное расстояние между точками В>, А1, изменять на заданную величину температуру образца, а затем перемещать контрольную плоскость 4 в направлении нормали к ней до достижения исходного расстояния между точками пересечения ее линиями, продолжающими отрезки ВС и AD. При расширении образца контрольную плоскость 4 перемещают в направлении образца, а при сжатии — в направлении от образца.

Способ осуществляют следующим образом. Из исследуемого материала изготавливают образец 1 в виде протяженного тела, ограниченного базовой плоскостью 2 и реперами в виде ребер, параллельных друг другу, лежащих в базовой плоскости 3 (например, придают образцу вид параллелепипеда; боковые грани параллелепипеда могут быть выполнены наклоненными под острым углом к базовой плоскости). Фиксируют в пространстве базовую плоскость образца и контрольную плоскость 4, параллельную базовой 3. На линии пересечения контрольной плоскости 4 плоскостью, перпендикулярной реперам, фиксируют две опорные точки, симметрично расположенные относительно. реперов.

В той же плоскости, перпендикулярной реперам, проводят скрещенные линии, каждая из которых проходит через репер, затем через опорную точку и далее до пересечения с контрольной плоскостью, параллельной базовой. Фиксируют расстояние между этими точками i<, называемыми контрольными — при исходной температуре испытания, Изменяют температуру образца; измеряют соответствующее приращение (или уменьшение) отрезка А1В1, которое обозначим как Л 1 .

Поскольку, по определению, величина

ТКЛР равна

h,l

< Хт (1) где <.<-ТКЛР;

l<> — исходная длина образца между реперами;

1778656

10

20 — Н (4) -о Ь

Ь, 1 н Хт 1:ь7й

ДТ вЂ” изменение температуры образца;

b, I — приращение исходной длины образца, и, кроме того, Ь!

-«г.— = Ч; (2) то расчет искомой величины осуществляется по формуле С;ЪТ.

Ы (3)

Другая возможность измерения состоит в том, что после изменения температуры перемещают контрольную плоскость по нормали к ней для компенсации изменения длины отрезка между контрольными точками, обусловленного изменением температуры образца. Значение этого перемещение Ь связано с искомой величиной ТКЛР. Вывод расчетной формулы для этого случае иллюстрируется фигурой 4. На ней точки С и В1 соответствуют фиг. 1: С вЂ” опорная точка, В1 — исходное положение контрольной точки.

Отрезок В Вз — вертикален по отношению к

В10. Точка Вэ — положение контрольной плоскости после изменения температуры образца, Отрезок BzB> равен ЬL. Расстояние от точки С до отрезка В10, совпадающего с исходным положением контрольной плоскости, обозначим Н, а расстояние между опорными точками L>. Следовательно, длина отрезка В10 равна (Lo — L))/2. Из элементарного геометрического построения следует:

Значение Л L из (4) при подстановке в (3) позволяет рассчитать ТКЛ P через регистрируемое перемещение контрольной плоскости Ь.

В случае совмещения опорных точек в одну значение L> = О. Тогда, объединяя (4) и (3) получаем расчетную формулу в виде:

Таким образом, в соответствии с (5) относительное изменение длины образца заменяется относительным изменением расстояния между опорной и контрольной плоскостями. Получение еще одного значения ТКЛР независимым методом позволяет повысить достоверность определения искомой характеристики.

Конструкция устройства для реализации способа поясняется фиг. 2 и 3. На фиг, 2-5 — образец: 6 — держатель образца, контактирующий с образцом по опорной плоскости; 7 — измеритель температуры

55 образца. прижимающий cp днее сечение образца (в плоскости симметрии чертежа) к держателю; 8 — нагреватель образца: 9— балки опорных ребер (сами ребра обозначены точками С и D); 10 — станина, фиксирующая взаимное положение держателя 6, балок опорных ребер 9 и пластины 11 (контрольная поверхность пластины 11 обращена в сторону держателя образца); 12 — тяги, контактирующие с концами (реперами) образца, с опорными ребрами (опорными точками С и D) и пересекающие контрольную плоскость пластины 11; 13 — колодки, вертикальнь|е плоскости которых — в результате скольжения колодок по контрольной плоскости — проходят через линии пересечения контрольной плоскости плоскими поверхностями тяг 12, обращенными к точкам С и О;

14 — измеритель перемещения, установленный между упомянутыми вертикальными плоскостями колодок 13; 15 — растяжка (показана одна растяжка из двух), прижимающая тягу 12 к реперу образца и опорному ребру; 16 — ограничители перемещения тяг (ограничители показаны совмещенными с окнами в нагревателе для пропускания тяг);

17 — растяжки для колодок 13. Тяги 12 имеют три линии контакта: репер образца, опорное ребро и линия контакта с колодкой 13. Термическое расширение тяги не приводит к изменению значимых геометрических параметров устройства, однако, должна быть предусмотрена возможность проскальзывания тяг относительно линий контакта минимум в двух местах. Для высокотемпературного дилатометра целесообразно исключить проскальзывание тяги относительно образца (допуская лишь поворот около репера), что достигается формой выполнения тяги в месте контакта. При совмещения точек опоры в одну может оказаться удобной фиксация тяг в этой точке.

Для упрощения эксплуатации одна из тяг может неподвижно фиксироваться на все время измерений, Устройство, схематически представленное на фиг. 2, работает следующим образом.

Устанавливают образец 5 между верхними концами тяг 12, устанавливают измеритель

7 температуры образца 7. Задают требуемую начальную температуру испытания и фиксируют ее измерителем 7. Измерителем перемещения 14 регистрируют исходное значение расстояния между колодками 13 (величину Lo). Изменяюттемпературу образца 5 на заданную величину Л Т. Изменение температуры образца 5 вызывает изменение его размеров и, в частности, расстояния между реперами. 3а счет этого изменения реперы поворачиваются относительно

1778656

10

25

50 опорных ребер и сдвигают колодки 13. Регистрируется новое значение расстояния между колодками 13, на основании чего рассчитывается ТКЛР, средний между исходной и конечной температурой испытания. Затем испытание повторяется для следующего заданного температурного интервала.

На фиг. 3 схематически показана схема выполнения нижней части устройства, обеспечивающего регистрацию искомой величины с использованием вертикального перемещения пластины. Пластина 11 в этом случае выполнена с возможностью перемещения относительно станины 10 в вертикальном направлении. Здесь 18 направляющая, 19 — устройство для перемещения пластины. Измеритель перемещения

14 в данном случае фиксирует вертикальное перемещение нижней — контрольной плоскости пластины относительно станины 10.

Ребра (точки) на контрольной плоскости пластины 11, предназначенные для контакта с тягами 12, оснащены индикаторами касания — точки В, А2 (например, по принципу замыкания электрической цепи).

Устройство в варианте, отраженном на фиг, 3, работает следующим образом.

За счет обратной связи индикаторов касания В, Az с устройством для перемещения пластины 19 положение пластины 11 устанавливается в режиме слежения за перемещением тяг 12; при равновесии (статическом или динамическом) кинематической системы, включающей образец, тяги и пластину, информативным является положение контрольной плоскости пластины 11. Изменение расстояния этой плоскости по отношению к станине 10 фиксируется измерителем перемещения 14.

Использование изобретения обеспечивает повышения точности: за счет возможно-. сти объективной регистрации перемещений, связанных с измеряемой величиной, посредством контактных индикаторов, вынесенных из эоны нагрева; за счет исключения из числа измеряемых первичных величин исходной длины образца между реперами.

Кроме того, он обеспечивает повышение чувствительности регистрации: при фиксированных размере образца и расстоянии от него до опорных точек — выбор расстояния между плоскостями 4, 3 большего, чем расстояние между плоскостями 3,2 обеспечивает превышение абсолютного изменения отрезка А1В1(фиг. 1) по сравнению с отрезком АВ. Дополнительное повышение достоверности достигается в случае перемещения контрольной плоскости: независимым методом определяется еще одно значение ТКЛ Р.

Формула изобретения

1. Способ определения термического коэффициента линейного расширения материалов, состоящий в том, что выбирают образец в виде протяженного тела, ограниченного базовой плоскостью и реперами в виде лежащих в этой плоскости параллельных между собой ребер, изменяют температуру образца и измеряют соответствующее изменение расстояния между реперами посредством регистрации взаимного перемещения двух прямых линий, скрещенных в плоскости, перпендикулярной реперам и соединяющих реперы с опорными точками, равноудаленными от базовой плоскости на фиксированное расстояние, и рассчитывают искомую характеристику, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, регистрацию взаимного перемещения линий осуществляют посредством контроля изменения расстояния между точками пересечения линий дополнительной контрольной плоскостью, параллельной базовой плоскости образца и отстоящей от нее на заданном расстоянии, 2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что две опорные точки совмещают в одну, * 3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения достоверности, фиксируют расстояние между точками пересечения линий контрольной плоскостью до изменения температуры образца и после ее изменения перемещают контрольную плоскость до достижения фиксированного расстояния между точками, а об искомой характеристике судят по величине этого перемещения.

1778656

1778656

Фцг. ю

Составитель Д. Тайц

Техред М. Моргентал Корректор С. Патрушева

Редактор

Заказ 4189 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101