6.3 Устаткування, прилади та матеріали

Отже, сукупність методів вимірювання термічного розширення тіл називається дилатометрією. Прилади для дослідження цих процесів називаються дилатометрами. У дослідницькій практиці застосовують дилатометри самих різних конструкцій: інтерферометричні, диференціальні (оптичні, кварцеві), електричні, тощо.

6.3.1 Вибір речовини для дилатометричної трубки

В найпростішому віпадку використання відносної ділатометричної методики, проводять порівняння теплового розширення зразка з розширенням трубки, в якій він міститься. Трубку виготовляють із спеціальної речовини, до властивостей якої висувається декілька вимог:

- жаростійкість (здатність опиратися окисленню при високих температурах);

- жароміцність (здатність витримувати високі температури під навантаженням без пластичного деформуванння);

- стала температурна залежність коефіцієнта лінійного розширення в робочому інтервалі температур (або постійний коефіцієнт лінійного розширення);

- низький коефіцієнт термічного розширення по відношенню до досліджуваного матеріалу;

- відсутність фазових перетворень в робочому інтервалі температур.

При дослідженнях в області температур до 1100⁰ С такою речовиною може слугувати плавлений кварц, який має сталу температурну залежність коефіцієнта лінійного розширення до 1100⁰ С та низький і постійний коефіцієнт термічного розширення:

.

При температурах вищих за 1100 ⁰С плавлений кварц зазнає перетворення (утворюється кристобаліт), і його коефіцієнт лінійного розширення зростає до , що абсолютно неприпустимо для речовини з якої виготовлено обладнання для досліджень.

Для дилатометрів, які працюють при температурах, вищих 1100⁰ С, застосовують трубки зі спеченого окисиду алюмінію, графіту, танталу та ін.

6.3.2 Конструкція та принципи роботи дилатометра з катком

Дилатометр з катком є приладом оптико-механічного типу. Зовнішній вигляд та принципова схема такого дилатометру наведено на рис. 6.2 – 6.3.

Дилатометр складається із двох плоских блоків 3 та 4, між якими затиснуто каток 5 малого діаметра. Один з блоків (4) закріплено на основі дилатометра, другий (3) – рухомий. Розширення зразка 1 при нагріванні передається через штовхач 2. Кварцева трубка 13 зі зразком прикріплюється до основи дилатометра за допомогою перехідної муфти або фланцю 9. Промінь світла від освітлювача 7 відхиляється невеликим дзеркальцем 6, прикріпленим до катка. Таким чином, переміщення світлової плями («зайчика») вздовж шкали 8 пропорційне переміщенню рухомого блоку, тобто, розширенню зразка.

Роботу каткового дилатометра можна стабілізувати, якщо підтримувати каток 5 тонкою струною. Один кінець стальної струни 10 діаметром 0,1 мм, яка проходить через каток, припаяний до опори 11 (рис. 6.2, б), а другий – закріплений гвинтом 12.

а б

Рисунок 6.2. Дилатометр з катком (а – принципова схема, б – схема стабілізації катка): 1 – зразок; 2 – штовкач; 3 – рухомий блок; 4 – нерухомий блок; 5 – каток; 6 – дзеркало; 7 – освітлювач; 8 – шкала; 9 – фланець; 10 – струна;11 – опора; 12 – гвинт;13 – кварцева трубка; 14 – піч; 15 – ЛАТР; 16 – термопара; 17 – мілівольтметр.

а

б в

Рисунок 6.3 – Зовнішній вигляд дилатометра с катком (розшифровка позначок така сама, як на рис. 6.2): а – загальна конструкція, б – трубка зі зразком, в – збільшене зображення основної частини дилатометра.

Використання підтримуючої струни дозволяє позбутися таких недоліків дилатометра, як перекос катка або зміщення світлового "зайчика" при випадкових поштовках.

Кварцева трубка зі зразком нагрівається піччю 14, нагрів якої регулюється за допомогою ЛАТРа 15. ЛАТР (лабораторний автотрансформатор регульований) – це прилад, що призначений для плавного регулювання напруження. Зовнішній вигляд та принципова електрична схема наведені на рис. 6.4.

а б

Рисунок 6.4 - Лабораторний автотрансформатор регульований: а – зовнішній вигляд, б - принципова електрична схема (U₁ – вхідне напруження (джерело струму), U₂ – вихідне напруження (споживач), І₁, І₂ – сила струму в обмотках, W₁, W₂ – кількість витків).

Окрім видовження зразка, при нагріванні необхідно визначати його температуру, яка вимірюється за допомогою хромель-алюмелевої термопари 16. Значення температури визначається за показами мілівольтметра 17. Покази приладу перераховуються в градуси за шкалою Цельсія згідно формули:

Т_х-а = 24,083·U + 20, (6.5)

де U – напруга в мВ.

Переваги дилатометрів з катком – можливість легко отримувати збільшення в 2000–4000 разів і мала варіація, яка дозволяє проводити вимірювання з точністю до довжини зразка.