Dylatometr.doc

                            Dawid Makuła gr. 203

MATERIAŁOZNAWSTWO

Laboratorium

Dylatometria

Podstawy teoretyczne metody dylatometrycznej.

Dylatometria jest jedną z technik badania przemian fazowych zachodzących w stali w stanie stałym. Metoda ta pozwala na monitorowanie ewolucji przemian w czasie rzeczywistym poprzez obserwacje zmiany wymiarów próbki podczas cyklu termicznego. Jest to również jedna z klasycznych technik najczęściej używanych do określania temperatury początku i końca przemian fazowych Ac1, Ac3, Ar1, Ar3. Metody dylatometryczne wykorzystują zjawisko, że kiedy w materiale zachodzi przemiana fazowa jego siec krystaliczna jest przebudowywana, co powoduje zmianę objętości właściwej.

Ciała stałe składają się z atomów wykonujących ruch oscylacyjny wokół średnich położeń. Na energię atomu składają się, równe sobie, energie potencjalna i kinetyczna. Równoważenie się sił przyciągania i odpychania w ruchu drgającym, wyznacza średnią odległość pomiędzy atomami i jednocześnie minimum energii całkowitej. Ze wzrostem temperatury wzrasta energia i amplituda drgających atomów. Rośnie, zatem średnia odległość pomiędzy nimi a więc również objętość ciała stałego.

              Przemianom fazowym w metalach i stopach metali, takim jak przemiany alotropowe, wydzielanie i rozpuszczanie w stanie stałym, towarzyszy zmiana objętości właściwej oraz zmiana współczynnika rozszerzalności liniowej i objętościowej. Powyższe zmiany wykorzystuje się w badaniach dylatometrycznych będących jedną z metod analizy cieplnej.

Badania dylatometryczne polegają na pomiarze zmian wymiarów (zwykle jednego wymiaru) próbki materiału w funkcji temperatury, czasu lub jednocześnie temperatury i czasu. Konstrukcje dylatometrów różnią się od siebie zasadniczo sposobem pomiaru wydłużenia. Dylatometr różnicowy rejestruje zmianę różnicy wydłużenia pomiędzy próbką wzorcową a próbką badaną. Dylatometr bezwzględny rejestruje bezpośrednio powiększoną zmianę wydłużenia próbki badanej.

Pojęcie termopary i zasada działania.

              Termopara to rodzaj termometru termoelektrycznego wykorzystywanego w celach naukowych, jak chociażby w analizie termicznej materiałów, ale przede wszystkim znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu.

Budowa i zasada działania termopary oparta jest o zjawisko termoelektryczne (odkryte przez Seedbecka), polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej i w konsekwencji tego przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym.

Jeśli chodzi o budowę przyrządu to składa się on z dwóch różnych metali (drucików), spojonych na jednym końcu (strona pomiarowa). Pod wpływem zmiany temperatury powstaje siła elektromotoryczna zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną na końcach niepołączonych (zimnych) proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy temperaturą spoiny pomiarowej, a temperaturą spoin odniesienia (zimnych, wolnych końców). Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie, którą następnie instalujemy w miejscu pomiaru temperatury. Termopary odznaczają się dużą niezawodnością, dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać wysoką temperaturę topnienia, dużą odporność na czynniki zewnętrzne, małą rezystywność, wysoką temperaturę pracy ciągłej, mały współczynnik cieplny rezystancji oraz niezmienność parametrów w czasie.

Schemat budowy dylatometru.

              Dylatometr automatyczny składa się z bloku elektronicznego, mechanicznego, nagrzewającego i chłodzącego. Pracą całości aparatury steruje komputer za pomocą specjalnie opracowanego programu odpowiedzialnego za regulację, pomiar i rejestrację danych. W trakcie próby mierzona jest temperatura próbki oraz temperatura pieca a także wydłużenie próbki. Temperatura mierzona jest za pomocą termopar, wydłużenie natomiast przy pomocy indukcyjnego (transformatorowego) przetwornika przemieszczeń typu PSx o zakresie pomiarowym 0÷10mm o dokładności 5mm i rozdzielczości pomiarowej 0,2mm. Blok przetwornika może być umieszczony wewnątrz obudowy dylatometru bądź w osobnej obudowie dającej możliwość przenoszenia oraz wykorzystania do pomiarów temperatury i wydłużenia innych obiektów lub analizy termicznej procesu krzepnięcia i krystalizacji stopów.

Blok mechaniczny składa się z głowicy pomiarowej integrującej próbkę umieszczoną w rurce kwarcowej z popychaczem i termoparą oraz czujnikiem wydłużenia. W głowicy pomiarowej znajdują się specjalne kanały oraz króciec do podłączenia gazu osłonowego. Gaz musi być doprowadzony za pomocą odpowiedniego reduktora i regulatora przepływu zapewniającego bardzo mały strumień (ok. 10cm3/min). Odpowiednia konstrukcja kanałów zapewnia przepływ gazu przez rurkę z próbką. Zbyt duży lub niestabilny strumień gazu może zaburzyć proces regulacji i stabilizacji temperatury próbki. Proces nagrzewania realizowany jest za pomocą pieca o dużej koncentracji mocy w stosunku do objętości próbki (ok. 500W/cm3). Pozwala to na precyzyjną regulację procesu oraz dużą szybkość nagrzewania (5K/s). Chłodzenie odbywa się za pomocą regulowanego dmuchu zimnego powietrza. Możliwość chłodzenia wykorzystywana jest również do schłodzenia próbki i pieca do bezpiecznej temperatury po wykonaniu próby. Ma to istotny wpływ na bezpieczeństwo obsługi dylatometru.

Program komputerowy realizuje funkcję regulacji i sterowania oraz rejestracji danych pomiarowych. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanej techniki sterowania uzyskano precyzyjną realizację programu grzania próbki. Jest to bardzo istotne ze względu na bardzo dużą bezwładność układu piec-próbka-chłodzenie.

Właściwości, które mogą być badane za pomocą metody dylatometrycznej.

              Metody dylatometryczne znajdują szerokie zastosowanie w badaniach zachowania się stali podczas ciągłego nagrzewania lub chłodzenia oraz izotermicznego wytrzymania. Celem badań dylatometrycznych jest wyznaczenie temperaturowego i czasowego początku i końca przemian fazowych zachodzących podczas założonych zabiegów cieplnych poprzez naśladowanie tych zabiegów w dylatometrze. Oznacza to np. możliwość opracowania wykresów kinetyki przemian przechłodzonego austenitu (wykresy CTPc i CTPi) oraz badanie przemian zachodzących podczas odpuszczania stali.

Dylatometr jest także dobrym urządzeniem do wyznaczania współczynników rozszerzalności liniowej ciał stałych. Tego rodzaju badania przeprowadza się w próbie nagrzewania ze znormalizowaną szybkością.