Лабораторная - Дилатометрия

порушення рівномірного подовження зразка. Різкі перегини на кривих свідчать про внутрішні зміни, що відбулися у сплаві. Якщо перетворення відбувається в інтервалі температур, то перша точка перегину на кривій відповідає температурі початку перетворення, друга – температурі кінця перетворення. Поява перегину на кривій нагріву сталі пояснюється таким чином. Під час нагрівання до нижньої критичної точки сталь розширюється рівномірно:

де l1 - зміна довжини зразка;

α - коефіцієнт лінійного розширення; ΔT - зміна температури.

У точці Ас1 перліт перетворюється на аустеніт, а при подальшому нагріванні в інтервалі температур Ас1-Ас3 (для доевтектоїдної сталі) ферит перетворюється на аустеніт, що має менший питомий об'єм; кількість аустеніту зростає в ході цього перетворення до 100%. Кожна одиниця довжини зразка при цьому зменшується на величину l2 за рахунок стиснення в процесі перетворення і збільшується на величину l1 внаслідок теплового розширення. У результаті поки не завершиться перехід всього фериту в аустеніт, довжина зразка змінюється на величину l3=l1-l2.

Під час нагрівання вищі точки Ас3, коли фазове перетворення закінчиться, зразок, що нагрівається, подовжується з іншим коефіцієнтом розширення (α1), відповідним коефіцієнту розширення γ-заліза або аустеніту

У результаті на кривій розширення при температурах, що відповідають переходу від l1 до l3 і від l3 до l4, спостерігаються перегини, як показано на рисунку 2. Критичні точки можуть бути визначені безпосередньо за дилатометричною кривою, без додаткових побудов.

12

де l - початкова довжина зразка.

Рисунок 3 – Дилатограми загартованої сталі

Дилатометричні дослідження процесів, що проходять при відпуску загартованої вуглецевої сталі, виявляють три температурні інтервали зміни довжини зразків: зменшення при 70-150 °С, збільшення при 150-300 °С і знову зменшення довжини при 300-400 °С. Відповідні перетворення при відпуску називаються першим, другим і третім перетвореннями. Оскільки початковою є структура, що складається з мартенситу і аустеніту, а питомий об'єм мартенситу вищий, ніж у аустеніту, то при перетворенні мартенситу об'єм зменшуватиметься (стиснення зразка). Таким чином перше і третє перетворення пов'язані зі змінами стану мартенситу, а друге – зі зміною стану аустеніту.

14

Перша стадія розпаду при відпуску сталі полягає у виділенні вуглецю з мартенситу, при цьому разом з твердим розчином початкової концентрації з вуглецю, в якому не відбулося виділення карбідів, з'являється мартенсит, що містить значно менше вуглецю. У процесі першого перетворення при відпуску загартованої сталі утворюється ε-карбід з гексагональною щільноупакованою граткою.

На другій стадії відпуску основним процесом є розпад залишкового аустеніту. Продуктом розпаду залишкового аустеніту є гетерогенна суміш, що складається з пересиченого α-твердого розчину і фази карбіду.

При третьому перетворенні відбувається повний дорозпад мартенситу і збільшення цементитних пластин.

3.4. Прилади для дилатометричного аналізу

Для реєстрації змін довжини застосовують різні методи і прилади - дилатометри - механічні, оптичні і електричні і т.д. В першому випадку, з них лінійне переміщення фіксується за допомогою індикатора або самописця на діаграмному папері, що знаходиться на барабані, який обертається, в другому чи третьому – за допомогою безпосередньо різних компараторів, катетометрів або мікроскопів, або з використанням оптичного важеля, коли поступальна хода від розширення зразка перетвориться в обертальне переміщення, що фіксується за рухом світлового відблиску на шкалі.

Існує декілька конструкцій дилатометрів, коли лінійне переміщення перетвориться в електричний сигнал, наприклад, за допомогою фотоелектричних або електронних лампових пристроїв, а також різних датчиків - тензометричних, індуктивних або ємнісних. На основі таких перетворювачів створені автоматичні дилатометри з

15

програмним управлінням і дилатометри для фіксації швидкоплинних процесів при швидкісному нагріванні або охолоджуванні.

Дилатометри забезпечені засобами контролю температури зразків, а іноді і пристроями, які задають певну програму нагрівання (охолодження) або ізотермічної витримки. Для визначення температур в дилатометрах використовують термопари, а в багатьох конструкціях - дилатометричні пірометри, тобто зразки-еталони, що характеризуються плавною зміною коефіцієнта розширення при нагріванні або охолодженні. За величиною розширення (стиснення) еталона можна точно визначити їх температуру. Перевагою таких дилатометричних пірометрів є безінерційність і точніша оцінка температури зразка, що нагрівається в тих самих умовах, що й еталон, оскільки він фіксує температуру не в якій-небудь одній точці, а середню по всій довжині зразка. Дилатометричні пірометри (або еталони) є невід'ємною частиною так званих диференційних дилатометрів, у яких одночасно фіксується розширення еталона і різниця розширень еталона і досліджуваного зразка.

3.5. Індикаторні дилатометри

Простим приладом для вимірювань термічного розширення є індикаторний дилатометр. Прилад складається з головки (власне дилатометра), зображеного на рисунку 4, і реєструвального апарата. У головці запаяна з одного кінця кварцова трубка 1, міцно закріплена в металевій втулці 2. У трубці поміщається зразок 3, що має форму циліндричного стрижня діаметром 4 мм і завдовжки 30 мм. Зразок упирається в запаяний кінець кварцової трубки і кварцовий стрижень 4, переміщення якого передається на індикатор годинникового типу 5 і еластичну пластину 6, з наклеєними на неї тензодатчиками

16

7. Переміщення зразка викликає зміну електричного сигналу, показання якого знімається з тензодатчиків. Температура зразка змінюється за допомогою нагрівальної печі 8 і реєструється термопарою 9, що знаходиться в безпосередній близькості до зразка.

Рисунок 4 – Головка дилатометра:

1 – кварцова трубка;

2 – втулка;

3 – зразок;

4 – кварцовий стрижень; 5 – індикатор годин-

никового типу; 6 - еластична пластина;

7 – тензодатчики;

8 – нагрівальна піч;

9 – термопара

Дилатометр працює за простою схемою. Блок-схема дилатометра показана на рисунку 5. Нагрівання зразка здійснюється електричною піччю, швидкість нагрівання може змінюватися. Сигнал з тензодатчиків, які реєструють величину переміщення зразка, передається через підсилюючий пристрій на вертикальну координату самописця. Температура нагрівання зразка реєструється по

17

горизонтальній координаті самописця. Таким чином, двокоординатний самописець здійснює запис кривої в координатах розширення зразка – температура. Температура вимірюється термопарою хромель-алюмель (ХА), користуючись відповідною градуювальною таблицею.

Рисунок 5 - Блок-схема дилатометра:

1– зразок;

2– нагрівальний пристрій;

3– блок живлення нагрівального пристрою;

4– блок управління тепловим режимом;

5– пристрій для вимірювання температури;

6– пристрій для вимірювання переміщення;

7– блок живлення тензодатчиків;

8– підсилювач електричного сигналу;

9– двокоординатний самописець

При використанні індикатора з ціною поділки 0,01 мм збільшення дилатометра становить 100.

Чутливість індикаторного дилатометра може бути значно збільшена, якщо на осі індикатора закріпити невелике дзеркало і забезпечити прилад круглою шкалою і освітлювачем. У цьому випадку збільшення дилатометра K 4 R, де R – радіус шкали, мм. Оскільки повний

18

оберт, дзеркала (2π) відповідає подовженню зразка на 1 мм, а оберт дзеркала на π/2 призводить до переміщення світлового відблиску на πR мм за шкалою. Навіть при помірних розмірах шкали може бути одержане дуже велике збільшення, наприклад при R = 500 мм К = 6280.

На жаль, індикаторний дилатометр має велику варіацію результатів вимірювання, обумовлену порівняно складною механічною конструкцією індикатора.

4.ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1.Підготувати прилад для проведення випробування.

2.Провести випробування на сталевих зразках з різним вмістом вуглецю, у відпаленому і загартованому стані.

3.Визначити середній коефіцієнт лінійного розширення в інтервалі температур.

4.Визначити дійсний коефіцієнт лінійного розширення.

5.Визначити температуру критичних точок при нагріванні і охолодженні сталі.

6.Визначити величину фазових перетворень при відпуску сталі.

7.Результати занести до таблиці 4

Таблиця 4

8.Порівняти одержані результати з табличними значеннями.

9.Оцінити похибку.

19

10.Визначити матеріал зразка за табличними даними (довідник сталей і сплавів Сорокіна).

11.Зробити висновки.

5.КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.В чому полягає суть дилатометричний методу?

2.На яких положеннях ґрунтується метод з використання квадратичної залежності величини прогинання ланцюгової лінії від її довжини?

3.Запишіть формулу для визначення відносної зміни довжини.

4.Який вираз використовується для визначення невеликих змін об'єму?

5.Що таке дилатометр?

6.Назвіть матеріали, які відносяться до дилатометричних.

7.В чому полягає дилатометричний аналіз?

8.Для чого використовується дилатометричний аналіз?

9.Запишіть формулу для визначення середнього коефіцієнта лінійного розширення.

10.Що таке дійсний коефіцієнт лінійного розширення?

11.Яким чином визначають дійсний коефіцієнт лінійного розширення?

12.Що таке дилатометрична крива та для чого її використовують?

13.Про що свідчать різкі перегини на дилатометричних кривих?

14.Яка з фаз має менший питомий об'єм - ферит чи аустеніт?

15.Які температурні інтервали зміни довжини зразків виявляють при відпуску загартованої вуглецевої сталі?

20