Badania cieplne.docx

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.

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.

1. Metoda dylatometryczna

Dylatometr – urządzenie to określa zależność między długością próbki a temperaturą próbki. Rozszerzalność cieplna próbki zależy od materiału z którego wykonana jest próbka. Jeśli zachodzi przemiana fazowa następuje skokowa zmiana wskaźnika rozszerzalności cieplnej – próbka zmienia swoją długość. 

Dylatometr różnicowy – rejestruje zmianę różnicy wydłużenia pomiędzy próbką wzorcową a próbką badaną. Oba materiały mają zbliżony wskaźnik rozszerzalności cieplej, z tym że jeden materiał posiada przemianę fazową a drugi nie.

Dylatometr bezwzględny – rejestruje bezpośrednio powiększoną zmianę wydłużenia próbki badanej. Badaną próbkę umieszczamy w wydrążonym pręcie kwarcowym

i przykrywamy wkładką kwarcową która ma kontakt z prętem. Na skutek zmian temperatury zmieniają się wymiary liniowe próbki. Zmiana wymiarów próbki powoduje że oddziałuj ona na pręt a ten z kolei przez układ dźwigni powoduje zapisywanie wyników na rejestratorze.

l=l0(1+αΔt)

α – współczynnik rozszerzalności

l0 – długość początkowa

Δt – różnica temperatur pomiędzy temperaturą odniesienia a temperaturą próby

Przemiana dyfuzyjna – aby zaszła potrzebne jest wydłużenie materiału badanego. Przemiana fazowa austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Namagnesowanie próbki stalowej poniżej punktu Curie (727°C) jest wysokie, a powyżej niskie. Występuje zmiana właściwości magnetycznych materiału po przekroczeniu punktu Curie.

2. Metoda derywatograficzna Osmonda

Rejestruje się czas który jest konieczny do takiego nagrzania lub ostudzenia próbki, aby temperatura zmieniła się o określoną wartość.

3. Metoda różnicowa Robertsa–Austena

Termopara różnicowa – temperaturę mierzy się z użyciem termopary zwykłej (pomiar temperatury pieca) oraz różnicowego obwodu z dwoma termoparami, reagującego na różnicę między temperaturami obu próbek (mierzy się różnicę temperatur między materiałem w którym zachodzi przemiana fazowa a materiałem w którym za przemiana nie zachodzi).

Próbka przyczepiona jest do przekładki azbestowej, do której (z drugiej strony) przyczepiona jest próbka wzorcowa, za pomocą której określa się  zmianę temperatury próbki badanej.