Устройство измерения поверхностного натяжения и коэффициента вязкости металлов

Изобретение относится к средствам определения физико-химических констант вещества, а именно его поверхностного натяжения и коэффициента вязкости. Устройство содержит печь электросопротивления, установленную с возможностью вертикального перемещения посредством подвижного держателя, измерительную и регулирующую термопары, систему подачи газов, систему нагружения образца металлического материала, включающую охлаждаемый герметичный блок с камерой для размещения в ней испытываемого образца в виде гильзы, и с датчиком веса, установленным на неподвижном основании. Устройство дополнительно снабжено дополнительными камерами для размещения в каждой из них испытываемого образца в перевернутом виде, и дополнительными датчиками веса, каждый из которых посредством подвеса связан с соответствующим образцом. Охлаждающий герметичный блок выполнен с центральным отверстием для установки в него указанных термопар, а каждый испытываемый образец установлен на кварцевом штоке, в нижней части которого закреплена микрометрическая головка. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности и скорости измерения и обеспечение возможности измерения нагрузки нулевой ползучести, начиная от нулевых значений. 6 ил.

 

Изобретение относится к средствам определения физико-химических констант вещества, а именно его поверхностного натяжения и коэффициента вязкости.

Наиболее близким решением к заявленному решению является устройство определения нагрузки нулевой ползучести, описанное в научной статье Гершман Е.И., Жевненко С.Н., «Метод измерения поверхностного натяжения границы раздела «твердое-газ» «insitu»», Физика металлов и металловедение, 2010, согласно которой устройство содержит печь электросопротивления - 10, установленную в подвижный держатель печи - 11, термопары - 12, систему подачу газов, систему нагружения образца, которая представляет собой передвижную каретку - 1, которая может перемещаться в вертикальном направлении при помощи винтов микро- и макро- перемещений - 2, 3, данная каретка позволяет перемещать камеру - 5 и, соответственно, образец - 6 относительно датчика веса - 8, который жестко закреплен на неподвижном основании - 9, и, таким образом, нагружать или разгружать его, упругая гофра - 4, позволяющая перемещать камеру и образец относительно датчика без разгерметизации всей системы, а передача усилия от датчика веса к образцу осуществляется через алундовую штангу - 7.

В устройстве для измерения нагрузки нулевой ползучести, описанном выше, используется одна камера с одним образцом. Собственная масса фольги и масса сцепки (подвесов: петли на фольге и соединительной штанги) создают постоянную нагрузку на фольгу, которая учитывается при расчете нагрузки нулевой ползучести. Одновременно это обуславливает недостаток такого устройства, а именно нагрузку нулевой ползучести, меньшую, чем эти постоянные веса (подвесы, собственный вес фольги) измерять нельзя в принципе. Как следствие, поверхностную энергию можно измерять, если она имеет значение выше определенного положительного уровня.

Таким образом, недостатками известного устройства является невозможность измерения нагрузки нулевой ползучести меньше, чем постоянные веса (подвесы, собственный вес фольги), высокая величина погрешности и возможность измерять поверхностную энергию только, если она имеет значение выше определенного положительного уровня.

Основной задачей изобретения является нахождение нагрузки нулевой ползучести, т.е. нагрузки при которой не происходит ни удлинения, ни сокращения образца в виде фольги или проволоки.

Технический результат - повышение точности и скорости измерения, и обеспечение возможности измерения нагрузки нулевой ползучести, начиная от нулевых значений.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения нагрузки нулевой ползучести металлических материалов, содержит печь электросопротивления, установленную с возможностью вертикального перемещения посредством подвижного держателя, измерительную и регулирующую термопары, систему подачи газов, систему нагружения образца металлического материала, включающую подвижную в вертикальном направлении каретку, расположенную на неподвижной опоре и охлаждаемый герметичный блок с камерой для размещения в ней испытываемого образца в виде гильзы, и с датчиком веса, установленным на неподвижном основании, и дополнительно снабжено камерами для размещения в каждой из них испытываемого образца в перевернутом виде, и дополнительными датчиками веса, каждый из которых посредством подвеса связан с соответствующим образцом, при этом охлаждающий герметичный блок выполнен с центральным отверстием для установки в него указанных термопар, а каждый испытываемый образец установлен на кварцевом штоке, в нижней части которого закреплена микрометрическая головка.

Краткий перечень чертежей

На фиг. 1 представлена общая схема установки для измерения нагрузки нулевой ползучести описанная в прототипе.

На фиг. 2 представлена общая схема заявленного устройства.

На фиг. 3 представлена схема охлаждаемого блока с датчиками.

На фиг. 4 представлен образец для измерения нагрузки нулевой ползучести (25 - толстостенная гильза, 26 - металлическая фольга).

На фиг. 5 представлены кривые зависимости нагрузки на образце от времени. Пунктирной линией указана нагрузка Р0, которая соответствует отсутствию деформации (нулевой ползучести).

На фиг. 6 представлены примеры описания с помощью ЭВМ экспериментальных данных, а) растяжение образца; б) сокращение.

В предлагаемой установке был реализован метод нахождения нагрузки нулевой ползучести «in-situ». Это достигается путем использования датчика веса, который являлся одновременно и нагружающим элементом, и датчиком измерения силы, создаваемым поверхностным натяжением в образце.

Сущность изобретения заключается в том, заявленное устройство (фиг. 2) содержит в качестве нагревающего элемента печь электросопротивления - 13 с двумя независимыми обмотками из нихрома. Внутренняя обмотка используется для регулирования температуры в рабочей части печи, внешняя обмотка используется для поддержания постоянной температуры на 100°С ниже рабочей температуры, таким образом, уменьшая абсолютное значение регулируемой мощности. Эта обмотка находится под постоянным напряжением. Точность поддержания температуры составляет 0.5. При этом печь установлена в подвижный держатель - 14, который обеспечивает перемещение печи в вертикальном направлении. Регулирование и контроль температуры осуществляется при помощи контрольной и регулирующей хромель-алюмелевых термопар 15, горячий спай которых находится в непосредственной близости от образцов, а холодный спай термопар поддерживается при постоянной температуре при помощи термостата.

Для создания в камерах инертной или восстановительной атмосферы была создана система подачи аргона и водорода - 16, в которую входит генератор водорода, баллон с аргоном, газоподводящие трубки, регуляторы расхода газа, жидкостной затвор. Во время работы реактор постоянно продувается водородом или смесью водорода и аргона с малой скоростью (5-10 см3/мин).

Охлаждаемый блок - 17 системы нагружения образца металлического материала содержит до шести отдельных камер - 19 с образцами - 18 выполненными в виде фольги (толщиной 18-30 мкм) свернутой в цилиндр диаметром 4-8 мм., таким образом, измерения могут проводиться на шести различных составах (если требуется измерять изотермы поверхностной энергии, т.е. зависимости поверхностной энергии от концентрации второго компонента в твердом растворе).

Чтобы создать равновесную атмосферу, сгладить температурное поле в камере печи и компенсировать термическое расширение фольга - 26 приваривалась верхним концом к толстостенной гильзе - 25 (Фиг. 4).

При этом образцы устанавливаются (фиг. 3) в камеры в перевернутом виде, образец переворачивают с «ног на голову», т.е. переворачивают гильзу с приваренной в ее фольгой для измерения нагрузки нулевой ползучести, начиная от нулевых значений. Для этого образец помещают на кварцевый шток - 24, в нижней части которого закреплена микрометрическая головка - 21, а датчики веса - 20, которые являются одновременно и нагружающим элементом, и датчиком измерения силы, располагают над образцами, каждый датчик связан с образцом с помощью подвеса - 23. Для регулирования и контроля температуры данного блока охлаждения было создано центральное отверстие - 22, в которое и устанавливаются термопары.

Градуировка датчика проводилась при помощи стандартных гирь весом от 1 до 50 грамм. Одновременно проводилось наблюдение величины прогиба датчика в зависимости от нагрузки, для того чтобы сопоставить, при проведении эксперимента, величину деформации образца в зависимости от нагрузки.

Если нагрузка, создаваемая датчиком на образце, меньше нагрузки нулевой ползучести, то фольга сжимается и показания датчика будут постепенно возрастать, если же нагрузка больше нагрузки нулевой ползучести, то фольга растягивается, и показания датчика будут постепенно убывать (Фиг. 5). Независимо от выбранной величины нагрузки через некоторое время система должна прийти к равновесному значению, соответствующему отсутствию деформации образца, то есть к состоянию, когда сила поверхностного натяжения уравновесит силу, создаваемую датчиком.

Деформация в условиях эксперимента протекает по механизму Набаро-Херинга, который устанавливает линейную зависимость между скоростью деформации образца и напряжением на датчике, коэффициент пропорциональности равен величине обратной вязкости.

где η - коэффициент вязкости

где В - константа теории Набарро-Херринга, Ω - атомный объем, D - коэффициент объемной диффузии, V - средний объем зерна.

При этом напряжение σ/ складывается из напряжения, создаваемого датчиком и напряжения, создаваемого силами поверхностного натяжения:

где, σ - задаваемое датчиком напряжение,

σ0 - напряжение нулевой ползучести, включающее в себя вес тяги и половину веса фольг;

С другой стороны, поскольку датчик является упругой балкой, то можно написать:

Коэффициент пропорциональности А определяется по прогибу датчика под различными стандартными весами и по полученному графику «величина прогиба - приложенная нагрузка» определялся коэффициент А, который является тангенсом угла наклона.

Подставив (3) в (1) и (4), получим систему уравнений:

Сделав подстановку, получим:

Разделив переменные, придем к уравнению:

Проинтегрировав уравнение (7), получим:

Уравнение (8) является кинетической зависимостью напряжения на датчике от времени для образца при определенной температуре. Если образцы имеют одинаковые размеры, вместо напряжения удобно использовать нагрузку в виде веса Р0. Подбирая параметры уравнения (8) с помощью ЭВМ, которые дают наилучшее совпадение экспериментальной кривой и теоретической, можно найти напряжение (нагрузку) нулевой ползучести σ00) и коэффициент вязкости η.

Нагрузка Р связана с напряжением по уравнению , где w - толщина фольги, a h - ширина. Истинная нагрузка нулевой ползучести связана с поверхностными энергиями в соответствии с соотношением:

где - общая площадь границ зерен, при цилиндрической форме зерна. - длина фольги, γСП поверхностная энергия свободной поверхности (СП, поверхности «твердое-газ»), γГЗ - поверхностная энергия границ зерен, с хорошей точностью можно считать .

При этом истинная нагрузка нулевой ползучести и измеряемая вышеуказанным способом отличаются на величину постоянных нагрузок, связанных с подвесами и собственным весом фольги:

В случае перевернутой схемы расположения образца и датчика постоянные веса могут быть включены в собственный вес датчика и программно обнулены.

Кроме того, можно определить нагрузку нулевой ползучести по зависимости скорости деформации от напряжения. Исходя из уравнений (1) и (3) можно написать:

Или с учетом (4)

Сравнивая уравнения (11) и (12) с уравнением прямой: y=G⋅x+D, легко видеть, что графики в координатах от σ или от σ будут линейными, поскольку η не зависит от напряжения в условиях диффузионной ползучести. По отсекаемому отрезку на оси ординат можно определить отношение напряжения нулевой ползучести к вязкости, а тангенс угла наклона этой прямой будет давать величину обратную вязкости. Отношение отсекаемого отрезка (коэффициент D) к тангенсу угла наклона (коэффициент С) позволит определить напряжение нулевой ползучести.

Таким образом, заявленное устройство позволяет провести измерения нагрузки нулевой ползучести, начиная от нулевых значений, а также значительно ускорить процесс получения данных по поверхностной энергии и приведет к снижению величины случайных погрешностей и количества выбросов.

Устройство для измерения нагрузки нулевой ползучести металлических материалов, содержащее печь электросопротивления, установленную с возможностью вертикального перемещения посредством подвижного держателя, измерительную и регулирующую термопары, систему подачи газов, систему нагружения образца металлического материала, включающую охлаждаемый герметичный блок с камерой для размещения в ней испытываемого образца в виде гильзы, и с датчиком веса, установленным на неподвижном основании, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными камерами для размещения в каждой из них испытываемого образца в перевернутом виде, и дополнительными датчиками веса, каждый из которых посредством подвеса связан с соответствующим образцом, при этом охлаждающий герметичный блок выполнен с центральным отверстием для установки в него указанных термопар, а каждый испытываемый образец установлен на кварцевом штоке, в нижней части которого закреплена микрометрическая головка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов, а именно к способам определения теплостойкости Т.

Изобретение относится к области усталостных испытаний материалов на изгиб и предназначено для охлаждения образцов в процессе подготовки и проведения усталостных испытаний на изгиб.

Изобретение относится к способам испытания металлов на растяжение с высокой температурой нагрева и может быть использовано при определении зависимости интенсивности напряжения от степени и скорости деформации, которые необходимо учитывать в технологических расчетах формоизменяющих операций изотермической штамповки листовых металлов.

Изобретение относится к способам воспроизведения аэродинамического теплового и силового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях. Сущность: осуществляют силовое воздействие к наружной поверхности обтекателя через многослойную структуру, состоящую из жесткой оболочки, упругой среды, гибкой и дискретной теплоизоляции и контактного нагревателя, а составляющие внешней силовой нагрузки прикладываются к наружной поверхности жесткой оболочки.
Изобретение относится к методам испытаний конструкционных материалов, преимущественно для прогнозирования ресурсоспособности сталей, работающих в зонах нейтронного облучения объектов атомной техники.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано на тепловых электростанциях для мониторинга прочности и оценки остаточного ресурса ответственного оборудования, например паропроводов и корпусных элементов оборудования высокого давления, в процессе его эксплуатации в условиях высоких температур и агрессивной рабочей среды.

Изобретение относится к испытательной технике, к установкам для испытания образцов материалов на прочность. Установка содержит основание, установленные на нем соосные захваты для образца, механический нагружатель, связанный с захватами, термический нагружатель, включающий вал, установленный параллельно захватам, привод вращения вала, шкив, установленный на валу, бесконечный элемент, охватывающий шкив без возможности скольжения, теплопроводное кольцо для закрепления на поверхности образца, охватываемое бесконечным элементом с возможностью фрикционного взаимодействия, и приспособление для регулируемого усилия натяжения бесконечного элемента.

Изобретение относится к области испытаний материалов, а конкретно к испытаниям металлических цилиндрических образцов методом деформирования (растяжения-сжатия или сжатия-растяжения), и может быть использовано для физического моделирования в лабораторных условиях процессов многократной пластической деформации металлов, происходящих в условиях промышленного производства и эксплуатации.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств материалов при высоких температурах в условиях индукционного нагрева в вакууме. Высокотемпературная установка содержит ВЧ индуктор, охватывающий испытуемый образец и жесткие верхний и нижний захваты, удерживающие его, а также контролирующую и регистрирующую аппаратуру.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, обладающих эффектом памяти формы, и может быть использовано для контроля термомеханических характеристик в условиях пассивного деформирования материалов с эффектом памяти формы для определения и контроля температурных точек фазовых превращений, коэффициента термического и упругого восстановления, а также для контроля получаемых сплавов с памятью формы на соответствие заданным термомеханическим характеристикам, необходимым для обеспечения работоспособности термомеханических соединений при сборке с помощью термомеханических муфт из сплава с эффектом памяти формы.

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано для термического анализа полимеров. Предложено устройство для нагрева полимеров при термическом анализе, состоящее из горизонтально ориентированной керамической трубы, расположенной в кожухе с прилегающей теплоизоляцией, и нагревателя поверх керамической трубы в виде нихромовой обмотки, с расположенным внутри трубы анализируемым полимерным материалом, причем в керамической трубе соосно с ней дополнительно установлена кварцевая труба с подводом азота и отводом пиролитических газов, в которой по длине вдоль оси устройства расположен длинномерный полимерный материал, а между кварцевой трубой и керамической трубой, снабженной нагревателем в виде нихромовой обмотки с постоянным шагом с разъемами для подачи электроэнергии, расположена дополнительная керамическая труба с нагревателем в виде нихромовой обмотки с переменным шагом, определяемым формулой (n+2)⋅1 мм, где n - номер витка обмотки, с разъемами для подачи электроэнергии, при этом кварцевая и керамические трубы в устройстве центрированы керамическими втулками.

Изобретение относится к технологии определения показателей термоокислительной стабильности смазочных материалов. Предложен способ прогнозирования показателей термоокислительной стабильности смазочных материалов, при котором испытывают пробу смазочного материала в присутствии воздуха с перемешиванием постоянной массы минимум при трех температурах, выбранных в зависимости от базовой основы, назначения и группы эксплуатационных свойств, в течение времени, характеризующего одинаковую степень окисления.

Изобретение относится к области дилатометрического анализа, а именно к способам дилатометрических исследований фазовых превращений при нагреве и/или охлаждении сплавов железа, и может быть использовано для оценки многостадийных фазовых превращений в сплавах железа.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для определения качества нефтепродуктов, и может быть применено для контроля температурной стойкости и термоокислительной стабильности смазочных материалов.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, касающейся исследования, измерения и прогнозирования свойств полимерных материалов, включая композиционные материалы на полимерной основе.

Изобретение относится к области исследования свойств и контроля качества полимеров в отраслях промышленности, производящих и использующих полимерные материалы, в частности для определения границ фазовых и релаксационных переходов в полимерных материалах.

Изобретение относится к способам определения термобарических параметров (температуры и давления) образования гидратов в многокомпонентной смеси типа нефтяных или природных газов.

Изобретение относится к технологии оценки качества жидких смазочных материалов. Предложен способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов, при котором испытывают пробы смазочного материала постоянного объема в присутствии воздуха с перемешиванием при оптимальных, как минимум трех, температурах ниже критической, выбранных в зависимости от базовой основы, назначения смазочного материала и группы эксплуатационных свойств в течение времени, характеризующего одинаковую степень окисления.

Изобретение относится к области металловедения и физико-химическому анализу веществ, в частности, к способу определения протекания фазовых переходов в металлах и сплавах.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью тепловых средств и описывает способ и устройство для количественного определения содержания восков и воскоподобных веществ в рафинированных растительных маслах.

Изобретение относится к области термических методов анализа полимеров и может быть использовано для анализа электропроводности полимеров от условий его нагрева. Заявлен способ термического анализа полимеров, включающий нагрев исходного образца полимера в инертной среде, определение и анализ его свойства за счет структурных изменений в полимере. Согласно заявленному способу проводят предварительную термическую обработку исходного образца полимера при температуре, лежащей в низкотемпературном интервале, начиная от 25°C до температуры термодеструкции образца полимера, и выдерживают до 30 минут при этой температуре. Переводят предварительно термически обработанный образец полимера в электропроводящее состояние путем его карбонизации до 900°C, охлаждают до 25°C, определяют удельную электропроводность карбонизованного образца полимера. Проводят аналогичные действия над следующим образцом исходного полимера для других температур предварительной термической обработки из низкотемпературного интервала с шагом 5°C, строят график зависимости удельной электропроводности карбонизованных образцов полимера от температуры предварительной термической обработки из низкотемпературного интервала, и по характеру зависимости удельной электропроводности карбонизованных образцов полимера от температуры предварительной термической обработки в низкотемпературном интервале судят о заданной удельной электропроводности карбонизованного полимера. Технический результат - повышение точности определения удельной электропроводности полимеров за счет выявления структурных изменений в них в процессе нагрева в низкотемпературном интервале. 4 ил., 4 пр.

Изобретение относится к средствам определения физико-химических констант вещества, а именно его поверхностного натяжения и коэффициента вязкости. Устройство содержит печь электросопротивления, установленную с возможностью вертикального перемещения посредством подвижного держателя, измерительную и регулирующую термопары, систему подачи газов, систему нагружения образца металлического материала, включающую охлаждаемый герметичный блок с камерой для размещения в ней испытываемого образца в виде гильзы, и с датчиком веса, установленным на неподвижном основании. Устройство дополнительно снабжено дополнительными камерами для размещения в каждой из них испытываемого образца в перевернутом виде, и дополнительными датчиками веса, каждый из которых посредством подвеса связан с соответствующим образцом. Охлаждающий герметичный блок выполнен с центральным отверстием для установки в него указанных термопар, а каждый испытываемый образец установлен на кварцевом штоке, в нижней части которого закреплена микрометрическая головка. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности и скорости измерения и обеспечение возможности измерения нагрузки нулевой ползучести, начиная от нулевых значений. 6 ил.

Наверх