Способ определения температурного коэффициента линейной деформации

 

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано для определения достоверных значений ТКЛД металлов при нормальных условиях. После удаления пластических релаксируемых внутренних напряжений и повышения однородности материала измеряют ТКЛД и модуль упругости у заготовок двух металлов с одинаковой кристаллической структурой при нормальных условиях и составляют уравнение прямой, которое используют для определения ТКЛД для металлов с данной кристаллической структурой. 2 табл.

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано для определения достоверных значений ТКЛД металлов, сплавов и других материалов при нормальных условиях.

Известен способ определения ТКЛД [1] включающий непосредственное измерение среднего значения ТКЛД, т.е. прямое измерение, а также относительное измерение, основанное на сравнении среднего значения ТКЛД контролируемого материала со средним значением ТКЛД эталона. При этом используется реальный деформированный материал, содержащий примеси и дефекты структуры, что вызывает значительное рассеивание ТКЛД.

Изменение состава, примеси и дефекты структуры связаны со смещением атомов в кристаллической решетке. Суммарный эффект смещений приводит к изменению объема и размеров твердого тела. Это изменение содержит как упругую обратимую, так и пластическую необратимую деформацию, что обусловливает большие погрешности при определении ТКЛД, которые изменяются во времени.

Известен также способ ТКЛД [2] принятый в качестве прототипа. Он основан на использовании зависимости энергии взаимодействия между атомами от расстояния между ними и предположении о наличии количественной связи между ТКЛД и модулем упругости. Основным недостатком его является большое рассеивание ТКЛД, обусловленное неоднородностью измененного поверхностного слоя образца из контролируемого материала и наличием внутренних напряжений /ВН/.

Цель изобретения повышение точности и уменьшение трудоемкости определения ТКЛД.

Цель достигается тем, что отбирают /получают/ заготовки двух металлов с одинаковой кристаллической структурой по критерию равенства пределов текучести при растяжении и сжатии; из каждой заготовки изготовляют по одному образцу при чистовом резании, обеспечивающем взаимную компенсацию дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействий процесса резания; осуществляют стабилизацию образцов до полного удаления пластических ВН; на каждом образце измеряют ТКЛД и модуль упругости при нормальных условиях и составляют уравнение 1, которое представляет основное выражение для определения ТКЛД для металлов с определенной кристаллической структурой α_l= K·E+B, (1) где α_l ТКЛД контролируемого материала; E модуль упругости; K, B коэффициенты уравнения прямой.

Обработка резанием сопровождается силовым и тепловым воздействием, что вызывает образование дефектов структуры поверхностного слоя и внутренних напряжений. Чтобы ограничить или исключить образование измененного поверхностного слоя и ВН, подбирают такие параметры режима чистовой обработки контролируемого материала, которые не дают приращения частоты продольных колебаний образца. При этом происходит взаимная компенсация силового и теплового воздействий. Так для стали 40Х13 параметры режима имеют следующие значения: V= 46 м/мин, t=0,125 мм/ст, S=0,09 мм/об, резец из сплава Т15К6, без охлаждения.

Стабилизацию образцов и других объектов, т.е. полное удаление пластических релаксируемых ВН осуществляют, например, практически, подбирая режим опытным путем, который позволяет осуществить полную их релаксацию. Для этого задают время выдержки и определяют, например, температуру нагрева, при которой приращение контролируемого параметра прекращается, т.е. практически равно нулю. В качестве контролируемого параметра можно использовать частоту собственных колебаний образца.

Чтобы ограничить влияние упругих внутренних напряжений σ_увн на рассеивание ТКЛД используется их компенсация температурными напряжениями σ_тр при нормальных условиях.

Существует количественная связь ТКЛД с модулем упругости, так как ТКЛД определяет удельную энергию воздействия, а модуль упругости соответственно реакции. Опытные данные подтверждают это и сведены в табл. 1 и 2.

Ниже приводятся ТКЛД металлов, которые определены через модуль упругости и сведены в табл. 2.

Критерий равенства пределов упругости при растяжении и сжатии характеризует состояние твердого тела, при котором ВН растяжения уравновешивают температурные напряжения сжатия при нормальных условиях, которые могут быть уточнены, например температура 24±3^oC, давление воздуха 760±6 мм/рт. ст.

Количественная связь между физическими величинами твердого тела следует из правильности строения структуры его. Реально связь осуществима в упругой области деформаций, т.е. в твердом теле с упорядоченной структурой в соответствии с его природой; критерием такого состояния является микроравновесие частиц /атомов/ при минимальной потенциальной энергии.

Пример. После стабилизации при T=550^oC, t=120 мин, V_охл=120^oC/ч, при контроле скорости охлаждения до T=400^oC отобраны по равенству пределов текучести при растяжении и сжатии две заготовки из ванадия и молибдена с кристаллической структурой ОЦК. Из них изготовлены два образца с чистовой проточкой V 46 м/мин, t 0,125 мм/ст, S 0,09 мм/об. Измерены модули упругости и ТКЛД на каждом образце при нормальных условиях /T=293 К/: ванадий E=1,24·10⁴ кгс/мм²; α_l8,32·10^-6 1/К.

молибден E=3,18·10⁴ кгс/мм²; α_l5,36·10^-6 1/К.

Подставляя измеренные параметры в уравнение прямой

получим y -1,5258·10^-10·X+10,2120·10^-6
или α_l -1,5258·10^-10·E+10,212·10^-6.

Эти уравнения определяют связь ТКЛД с модулем упругости для металлов со структурой ОЦК, для которых коэффициенты K и B имеют значения: K=-1,5258·10^-10, B=10,212·10^-6. Аналогично получают зависимости для металлов с другими кристаллическими структурами, например ГЦК, ГПУ.

Предлагаемый способ определения ТКЛД металлов по сравнению с известными имеет следующие преимущества.

Повышение точности определения ТКЛД за счет удаления погрешностей, вызванных измененным поверхностным слоем, удаления ВН, что превращает тело в линейную систему.

Снижение трудоемкости определения ТКЛД за счет значительного сокращения количества испытуемых образцов.

Формула изобретения

Способ определения температурного коэффициента линейной деформации (ТКЛД), заключающийся в ограничении примесей, дефектов структуры металла, отличающийся тем, что выбирают заготовки двух металлов с одинаковой кристаллической структурой, изготавливают из каждой по образцу при чистовом режиме резания, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействия процесса резания, стабилизируют их до полного удаления пластических внутренних напряжений, измеряют ТКЛД и модуль упругости каждого из них при нормальных условиях и составляют уравнение прямой, которое используется для определения контролируемого ТКЛД для металлов с данной кристаллической структурой при нормальных условиях
L_e K · E + B,
где L_e ТКЛД контролируемого металла;
Е модуль упругости контролируемого металла;
К и В коэффициенты уравнения прямой.

РИСУНКИ

Рисунок 1