Спосіб визначення характеристичної температури металу
Використання: для вимірювання фізичних властивостей конструкційних матеріалів щодо достовірних властивостей, наприклад теплоємності, модуля пружності, межі плинності та інших параметрів, в межах від абсолютного нуля до максимальної температури, при якій контрольований метал зберігає пружні властивості. Сутність винаходу: спосіб визначення характеристичної температури (ХТ) металу полягає в тому, що ХТ, яка характеризується мікрорівновагою частинок (атомів) при мінімальній внутрішній енергії тіла, визначають абсцис точки перетину температурної залежності контрольованого параметра, тобто. між ділянками сталості та спаду. Температурну залежність контрольованого параметра знімають із зразка з мінімальною кількістю домішок. 1 з.п. ф-ли, 1 табл., 2 іл.
Винахід відноситься до вимірювання фізичних властивостей конструкційних матеріалів з металів і сплавів і може знайти застосування при визначенні достовірних властивостей, наприклад, характеристичної температури (ХТ) (), теплоємності (С), ТКЛР (), частоти власних коливань (f), модуля Юнга (Е ) та ін. в межах від абсолютного нуля до максимальної температури, при якій контрольований матеріал зберігає пружні властивості.
Відомий спосіб визначення ХТ металу [1] Сутність його полягає в тому, що визначають універсальну функцію Дебая, що дозволяє описати температурну залежність теплоємності за допомогою одного індивідуального параметра речовини ХТ. Закон Дебая, куди входить температура у кубі, добре описує зміна теплоємності між 0 До приблизно Т/ 0,1, а рівняння, куди входить температура у квадраті, дає хороше наближення приблизно значень T/ 0,5. За ще більш високої температури це рівняння призводить до значень теплоємності, що відповідаєзакону Дюлонга-Пті. По суті функція приблизно поділена на дві ділянки: спаду та сталості, а також зв'язки між ними.
Основним недоліком способу є похибка, обумовлена розсіюванням міжатомної відстані в контрольованому матеріалі і відповідно сил міжатомної взаємодії, яка значно перевищує 15%. Відомий спосіб визначення ХТ [2] міжатомного зв'язку та його розсіювання залежно від наявності дефектів структури у матеріалі: де h постійна Планка; До постійного Больцмана.
Завдання полягає у обчисленні спектра коливань, що вирішується за допомогою теорії решітки та теорії КОНТИНУУМУ, тобто. ХТ немає постійної величини. Задовільне наближення можна отримати з урахуванням поглядів на КОНТИНУУМЕ, оскільки більшість коливань відповідає довжинам хвиль, значно перевищує міжатомні відстані. Похибка при цьому перевищує 12%. Гранична частота коливального спектру атомів залежить від дефектів структури в металі і має розсіювання в широких межах.
Відомий також спосіб визначення ХТ [3] Сутність його полягає в тому, що теоретично визначають межу між ділянками сталості та спаду температурної залежності теплоємності, обумовленої зміною сил міжатомних зв'язків. Іншими словами поділяють температурну характеристику теплоємності металу, що представляє лінійну систему, на ділянки сталості та спаду, а враховують перехід між ними.
ХТ може бути розрахована за фізичними властивостями, наприклад, за температурою плавлення металу, яка характеризує енергію міжатомної взаємодії: 13 де TS температура плавлення металу; А атомна маса; V атомний об'єм.
Похибка визначення ХТ при цьому становить близько 10% Відомий спосіб визначення фізичних характеристик [4] прийнятий як прототип. Він полягає у видаленні зміненого поверхневого шару та пластичних внутрішніх напруг (ВН) зі зразка з контрольованого матеріалу, що представляє лінійну систему, а також у вимірі температурної залежності його параметра (частоти власних коливань, теплоємності, ТКЛР та ін.) в області зміни кута нахилу прямих ліній на ділянках сталості та спаду та виявлення межі між ділянками на осі абсцис, при якій внутрішня енергія металу мінімальна. Похибка ХТ становить приблизно 6% Метою винаходу є підвищення точності визначення ХТ.
Ціль досягається тим, що обмежують домішки в контрольованому матеріалі, вимірюють величину і знак пружних ВН від дефектів структури (gc) при кімнатній температурі, вимірюють значення контрольованого параметра після повного вирівнювання температури по всьому об'єму зразка на кожній ділянці при двох температурах, визначають точку перетину прямих , що з'єднують дві точки кожної з ділянок, абсцис якої визначає шукану ХТ для контрольованого матеріалу при певному значенні пружних ВН.
Для визначення ХТ-константи відбирають контрольований метал, у якому ВЕ дорівнюють нулю, тобто. Позитивні ВН від дефектів структури скомплектовані негативними ВН від впливу кімнатної температури. Тут обмежені або враховані похибки міжатомних відстаней у контрольованому матеріалі та відповідно надлишкових сил міжатомних зв'язків, які викликають утворення ВН, викликані домішками, пружними дефектами структури та впливом коливань температури у процесі вимірювання ХТ. Всі ці дії викликають деформації тіла і відповіднозміна його властивостей, які можна оцінити кількісно, наприклад, за допомогою частоти поздовжніх власних коливань стрижня f де довжина стрижня; Е модуль Юнг; густина.
У разі підвищення температури, тобто. при розтягуванні стрижня частота зменшується, так як збільшується його довжина: ft f f де ft частота власних коливань при підвищенні температури на Т; f частота власних коливань за певної кімнатної температури. f збільшення частоти після впливу температури Т.
Аналогічно частоті власних коливань тіла, яка характеризує його внутрішню енергію, як контрольований параметр можуть використовуватися також теплоємність, ТКЛР, модуль Юнга та ін.
Чистота металу залежить від способу виробництва, високочистої шихти, рафінування, вакуумування, обробки шлаками тощо. Використовуються традиційні способи обмеження домішок та легування.
Матеріал, де відсутні ВН, можна створити або відібрати з існуючих. Для визначення величини і знака пружних ВН використовують рівняння вну=-(тру+тсу) де труїтсу межі плинності відповідно при розтягуванні та стиску пружного матеріалу після зняття пластичних ВН; вузькі пружні ВН.
Якби існували константи металу, наприклад, температурний коефіцієнт електроопору R, його можна було б використовувати для отримання або відбору матеріалу без ВН. Проте досі такі константи відсутні.
Тіло без ВН має цікаві властивості. Воно стабільне у часі, його властивості багаторазово відтворюються. У ньому надлишкові сили міжатомної взаємодії дорівнюють нулю. Воно має мінімальну внутрішню енергію. У такий стан реальний метал перетворює вплив ХТ.
На практиці зустрічаються метали з позитивними,негативними та близькими (рівними) до нуля ВН. Причому пластичні ВН релаксують (зменшуються) у часі за будь-яких умов та навантажень. Природа розпорядилася так, що вони пропадають у часі. Пружні ВН можуть бути зменшені або видалені за допомогою різних впливів, наприклад, деформації тіла, впливу температури.
Для видалення (зняття) пластичних ВН стабілізують тіло до припинення збільшення контрольованого параметра (частоти власних коливань, теплоємності, ТКЛР, модуля Юнга та інших.). У цій роботі як контрольований параметр використана поздовжня частота власних коливань стрижня, яка узгоджена з теплоємністю.
Вимірювання контрольованого параметра проводять після повного вирівнювання температури по всьому об'єму зразка, яке виявляють припинення збільшення контрольованого параметра.
Основні переваги пропонованого способу визначення ХТ металу порівняно з існуючими. Отримано ХТ першу константу металу. Отримано можливість визначити інші константи металу, наприклад температурний коефіцієнт опір, ТКЛР, а також достовірні властивості в межах від абсолютного нуля до максимальної температури, при якій тіло зберігає пружні властивості, наприклад теплоємність. Для вимірювання контрольованого параметра використовують один зразок, що різко зменшує трудомісткість випробувань. Частота власних коливань, що використовується як контрольований параметр, має переваги по точності та трудомісткості. Крім цього, є стандартна апаратура, наприклад електронно-лічильні частотоміри, генератор сигналів та ін. Тому додатково наводять залежність f(T) (фіг. 2).
Використана сталь 40Х13. Виготовлений зразок з прокату діаметром 10/120,якому видалено змінений поверхневий шар та пластичні ВН. Вимірюють частоту власних коливань у двох точках на ділянці спаду та у двох точках на ділянці сталості.
Результати зводять до таблиці.
Використання різних властивостей як контрольований параметр дозволяє отримувати характеристичну температуру для металу, яка збігається за абсолютним значенням, за умови обліку впливу домішок пластичних і пружних ВН, тобто. щодо константи.
Є можливість використовувати ХТ як основу для аналітичного визначення фізичних властивостей, наприклад теплоємності, температурних напруг, температури надпровідності, ТКЛР, що забезпечує економію металу.
1. СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИЧНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ МЕТАЛУ, при якій внутрішня енергія металу мінімальна, що полягає у видаленні зміненого поверхневого шару і пластичних внутрішніх напруг зразка з контрольованого металу, збудженні його коливань спаду власної частоти та при двох значеннях температури на ділянці сталості власної частоти, і визначенні шуканої температури як абсциси точки перетину двох прямих, проведених в координатах температура власна частота через точки, відповідні обраним значенням температури і виміряним при цих значеннях власних частотах, який відрізняється тим, що контрольований метал вибирають мінімальною кількістю домішок визначають знак і величину пружних внутрішніх напруг при кімнатній температурі, а значення частот власних коливань на ділянках сталості і спаду вимірюють після повного вирівнювання температури по всьому об'єму зразка, яке виявляють поприпинення збільшення власної частоти, при цьому шукану характеристичну температуру металу визначають при знайденому значенні пружних внутрішніх напруг.
2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що використовують зразок металу, в якому позитивні внутрішні пружні напруги від дефектів структури компенсовані негативними внутрішніми пружними сполученнями від впливу кімнатної температури.