Способ определения термического коэффициента линейного расширения материалов

(51) ОБРЕТЕ ОПИСАН области испнением теплсти дилатом рения термичеого расширенияизменяют темрируют изменеевыми точками дством измериба является оговленная возносительных теля удлинения ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Государственное специальное конструкторское бюро теплофизического приборостроения(56) Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов./Под общ, ред. А.Т,Туманова, М.: Машиностроение, 1971, т, 1, с. 309-311.Авторское свидетельство СССР М 178530, кл. 6 01 й 25/16, 1964. 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕ" СКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ57) Изобретение относится к области испытаний материалов с применением тепловых Изобретение относится таний материалов с прим вых средств, а именно, к обл рии.Известен способ изме ского коэффициента линейн (ТКЛ Р), состоящий в том, чт пературу образца и регист ние расстояния между конц образца (реперами) посре тельного микроскопа. Недостатком этого спосо раниченная точность, обус можными влияниями от смещений образца и измери в процессе измерения,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 Б искомой характеристике судят по величине этого перемещения. 2 з,п. ф-лы, 4 ил.авекПрототипом предлагаемого способа является способ измерения термического коэффициента линейного расширения 4материалов, состоящий в том, что выбирают СОобразец в виде протяженного тела, ограни- Осченного базовой плоскостью и реперами в (Лвиде лежащих в этой плоскости параллель- ,ных между собой ребер, изменяют температуру образца и измеряют соответствующееему изменение расстояния между реперамипосредством регистрации взаимного перемещения двух прямых линий, скрещенных вплоскости, перпендикулярной реперам исоединяющих реперы с опорными точками,равноудаленными от базовой плоскости нафиксиоованное расстояние, на основаниичего судят об искомой величине, 1778 б 5 бдостатком является также ограниченная 10 20 фигурами 1-4 50 55 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; нечувствительность (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 фиг, 1 - схема взаимного располокения 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, О; контрольная плоскость 4, параллельная плоскости 2, на контрольной плоскости 4 отмечены точки В 1 и А 1, являющиеся точками пересечения контрольной плоскости 4 линиями, продолжающими отрезки ВС и АО, соответственно.Линии АА 1 лежат в плоскости чертежа; точки А, В, С, О, В 1, А 1 явля ются проекциями на плоскости чертежа перпендикулярных ей линий. Отрезок В 1 А 1 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 А 1 В 1. Поскольку для измерения искомой величины - ТКЛР необходимо знать, именно, относительное изменение размера образца, то регистра 25 30 35 40 45 ция изменения длины отрезка А 1 В 1, соответствующего контролируемому изменению температуры образца достаточно для измерения.Точки С и О в соответствии с предложением могут быть соединены в одну; соответствие относительных изменений отрезков АВ и А 1 В 1 при этом сохраняется.Уменьшение числа элементов кинематической схемы способствует повышению точности.Предлагается также фиксировать исходное расстояние между точками 81, А 1, 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 АО. При расширении образца контрольную плоскость 4 перемещают в направлении образца, а при сжатии - в направлении от образца.Способ осуществляют следующим образом. Из исследуемого материала изготавливаютобразец 1 в виде протяженноготела, 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 0, называемыми контрольными - при исходной температуре испытания, Изменяют температуру образца; измеряют соответствующее приращение (или уменьшение) отрезка А 1 В 1, которое обозначим как Л 1.Поскольку, по определению, величина ТКЛР равнаЬХт (1) где а-ТКЛР;1 О - исходная длина образца между реперами;Ь, 1ът тй ДТ - изменение температуры образца;Ь- приращение исходной длины образца, и, кроме того,л(2)то расчет искомой величины осуществляется по формулеС;ЪТЫ(3)Другая возможность измерения состоит в том, что после изменения температурыперемещают контрольную плоскость понормали к ней для компенсации изменениядлины отрезка между контрольными точками, обусловленного изменением температуры образца, Значение этого перемещение Ьсвязано с искомой величиной ТКЛР. Выводрасчетной формулы для этого случае иллюстрируется фигурой 4, На ней точки С и В 1соответствуют фиг, 1: С - опорная точка,В 1 - исходное положение контрольной точки.Отрезок В 1 Вз - вертикален по отношению кВ 10, Точка Вэ - положение контрольной плоскости после изменения температуры образца, Отрезок В 2 В 1 равен Ь; Расстояниеот точки С до отрезка В 10, совпадающего сисходным положением контрольной плоскости, обозначим Н, а расстояние междуопорными точками О. Следовательно, длина отрезка В 10 равна (Ыо - О)/2. Из элементарного геометрического построенияследует: Значение Ьиз (4) при подстановке в (3) позволяет рассчитать ТКЛ Р через регистрируемое перемещение контрольной плоскости Ь.В случае совмещения опорных точек в одну значение О = 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 25 30 35 40 45 50 55 образца. прижимающий среднее сечение образца (в плоскости симметрии чертежа) к держателю; 8 - нагреватель образца: 9 - балки опорных ребер (сами ребра обозначены точками С и О); 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 О) и пересекающие контрольную плоскость пластины 11; 13 - колодки, вертикальнье 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 лищь 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 1-о). Изменяюттемпературу образца 5 на заданную величину Л Т. Изменение температуры образца 5 вызывает изменение его размеров и, в частности, расстояния между реперами. За счет этого изменения реперы поворачиваются относительно5 10 15 20 25 30 35 40 45 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 2, А 2(например, по принципу замыкания электрической цепи).Устройство в варианте, отраженном на фиг, 3, работает следующим образом.За счет обратной связи индикаторов касания В 2, А 2 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 А 1 В 1(фиг. 1) по сравнению с отрезком АВ, Дополнительное повышение достоверности достигается в случае перемещения контрольной плоскости: независимым методом определяется еще одно значение ТКЛР. 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 ющ и й с я 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что две опорные точки совмещают в одну,3. Способ попп.1 и 2,отличаю щи 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 О Составитель Д. ТайцТехред М. Моргентал Коррек Патруше акто роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. аказ 4189 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5