СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕРМОБИМЕТАЛЛА Российский патент 1995 года по МПК G01N25/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при разработке конструкции и технологии производства элементов, чувствительных к изменению температуры, характеристической до максимальной, при которой материал сохраняет упругие свойства.

В общем случае оно также может быть использовано для измерения совместимости соединения разнородных материалов.

Термобиметалл может состоять из двух или нескольких слоев металлов или других материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) и модулями упругости, соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Слой материала (составляющая) с большим ТКЛР называется активным слоем, составляющая с меньшим ТКЛР пассивным слоем.

Известен способ определения чувствительности термобиметалла (ЧТБ) [1] основанный на измерения температурной деформации, характеризуемой условной величиной удельного изгиба (А, град^-1), или коэффициента чувствительности (М˙10⁶ град^-1).

Основным недостатком его является наличие двух параметров, которые не согласуются между собой, и большое рассеивание их (20-30%).

Известен также способ определения ЧТБ [2] который устанавливает, что на удельный изгиб влияют разность ТКЛР, соотношение толщин слоев и модулей упругости компонентов. Однако практически использовать эти параметры не удалось из-за отсутствия совершенной технологии стабилизации материала и элементов. Пластические внутренние напряжения (ВН) обуславливают нелинейность температурной зависимости ТКЛР, модуля упругости и чувствительности термобиметалла в упругой области, а также необратимые процессы во времени. При этом погрешность не подчиняется вероятностным связям, накопленные в течение более 25 лет данные не позволили внести ясность. Это также вызвано тем, что в используемых опытных формулах для определения чувствительности не учитывается влияние модулей упругости и ТКЛР слоев.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и уменьшение трудоемкости определения ЧТБ.

Поставленная цель достигается тем, что изготовляют два образца из активной и пассивной составляющих контролируемого термобиметалла с определенной нагартовкой, обработкой резанием в чистовом режиме, обеспечивающем взаимную компенсацию дефектов структуры поверхностного слоя от теплового и силового воздействий, стабилизируют их до полного удаления пластических ВН, контролируют стабильность образцов по линейной зависимости отклика от воздействия, измеряют на каждом образце ТКЛР и модуль упругости при одинаковой температуре, определяют чувствительность термобиметалла β_o пределах от характеристической температуры (ХТ) до максимальной температуры, при которой тело сохраняет упругие свойства, по напряжению из уравнения
β_o
(1) где α Е, m ТКЛР, модуль упругости и толщина соответственно активного и пассивного слоев термобиметалла.

Обработка резанием сопровождается образованием дефектов структуры и соответственно ВН. Опыт показывает, что тепловое и силовое воздействия можно взаимно скомпенсировать, т. е. удалить измененный поверхностный слой и ВН, которые вызывают рассеивание свойств, а также изменение их во времени вследствие релаксации пластических ВН.

Режим такой чистовой обработки подбирают опытным путем, например, чтобы исключить или максимально ограничить приращение частоты продольных собственных колебаний стержня
f (2) где l длина стержня;
Е модуль упругости;
ρ- плотность материала.

Стабилизацию активной и пассивной составляющих заготовок, а также термобиметалла осуществляют, например, отжигом. Режим отжига определяют опытным путем.

Берут несколько заготовок и измеряют на каждой контрольный параметр, например частоту продольных собственных колебаний стержня. Затем отжигают каждую заготовку при постоянном, например, времени выдержки 2 ч и переменной температуре нагрева. Повторно измеряют воспроизводимую частоту продольных собственных колебаний стержня при комнатной температуре. Вычисляют приращение частоты для каждого стержня (образца) и строят зависимость приращения частоты от температуры нагрева. Определяют максимальное приращение частоты при минимальной температуре, которое характеризует искомые параметры режима стабилизации. При этом пластические ВН в теле удаляют полностью, т.е. получают линейную систему. Стабильность размеров и физических свойств такого тела сохраняется 20-30 лет и более, при этом повышается надежность конструкций. Аналогично определяют время выдержки при стабилизации материала, т.е. задаются температурой нагрева.

В зависимости от выполняемой функции в приборе элемент из термобиметалла может развивать определенные перемещения или развивать только усилие, а в общем случае может сочетать определенное усилие и перемещение. Поэтому чувствительность основное свойство термобиметалла, которое ранее характеризовалось деформацией, является приближенной величиной.

Нами используется удельное напряжение для оценки чувствительности или относительное напряжение. Удельная ЧТБ
β_y=α_a˙E_a˙m_a-α_п˙E_п˙m_п(3) Относительная ЧТБ
β_o
(4)
ЧТБ в пределах от максимальной температуры, при которой материал сохраняет упругие свойства (Т_м), до ХТ постоянная величина, т.е. константа. Ниже ХТ температурная зависимость α, Е и соответственно βизменяет угол наклона к оси абсцисс. Выше Т_м характеристика нелинейная, т.е. в контролируемом материале образуются пластические релаксируемые ВН. Отсюда следует, что эффективный температурный интервал использования термобиметалла находится в пределах от ХТ до Т_м.

Контроль стабильности материала осуществлен по линейности зависимости частоты собственных колебаний от температуры при выдержке до полного выравнивания ее по всему объему образца. Время выдержки определено по прекращению приращения частоты и составило 72 мин.

Модуль упругости термобиметалла определен известным способом по частоте собственных колебаний.

ТКЛР определен известным способом, например с помощью кварцевого дифференциального дилатометра.

П р и м е р Использованы активные и пассивные составляющие термобиметалла ТБ0921 с нагартовкой 50% Для удаления измененного поверхностного слоя образцы обработаны чистовым резанием при V 46 м/мин, t 0,12 мм/ст, S 0,09 мм/об без охлаждения. Резец из сплава Т15К6. Затем на образцах определены параметры режима стабилизирующей обработки для полного удаления пластических релаксируемых ВН. Задаваясь временем выдержки 3 ч 30 мин, определили температуру нагрева Т_н560^оС. По этим данным стабилизированы образцы. Измерены их ТКЛР и модули упругости составляющих термобиметалла ТБ0921. Результаты сведены в таблицу, где приведены также другие марки термобиметаллов, по справочным данным, а β определена по уравнению (1).

Предлагаемый способ определения ЧТБ по сравнению с известными имеет следующие преимущества:
1. Повышение точности определения ЧТБ, что достигнуто введением в расчетную формулу ТКЛР, модулей упругости и толщин активной и пассивной составляющих, а также удаление пластических релаксируемых ВН. ЧТБ-постоянная величина в пределах от характеристической до максимальной температуры, при которой материал сохраняет упругие свойства. Замена контролируемого параметра деформации на напряжение также повышает точность определения ЧТБ.

2. Уменьшение трудоемкости определения ЧТБ в результате стабилизации, превращающей контролируемое тело в линейную систему. Объем испытаний резко уменьшается, стабильность параметров сохраняется 20-30 лет и более, что ликвидирует повторные испытания во времени. Имеется возможность определить заданную ЧТБ расчетным путем без дополнительных испытаний.

3. Регулирование ЧТБ не только за счет использования новых материалов, но и за счет элементов конструкции толщин слоя, а также изменения свойств в широких пределах, например модуля упругости ТКЛР.

Использование: измерительная техника, может найти применение при разработке чувствительных к изменению температуры элементов, выполняющих измерительные, регулирующие и защитные функции. Сущность изобретения: вместо традиционной оценки чувствительности термобиметалла по деформации использовано температурное напряжение, созданное активным (E_α)_а пассивным (E_α)_п слоями. В результате стабилизации термобиметалла, которая полностью снимает пластические релаксирующие напряжения, получают линейную систему, в которой чувствительность не зависит от температуры в пределах упругих деформаций и определяется как отношение разности температурных напряжений, созданных активным и пассивным слоями, к их сумме, с учетом доли толщины активной и пассивной составляющих. 1 табл.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕРМОБИМЕТАЛЛА, заключающийся в измерении приращения дефформации образца путем определения температурного коэффициента линейного расширения на каждой составляющей термобиметалла, отличающийся тем, что используют два образца, изготовленных обработкой резаньем в чистовом режиме, обеспечивающем взаимную компенсацию дефектов структуры поверхностного слоя от теплового и силового воздействий, один из которых выполнен из активной, а другой из пассивной составляющих термобиметалла с заданной нагартовкой, затем стабилизируют образцы и контролируют их состояние до полного удаления пластических внутренних напряжений, измеряют модуль упругости и температурный коэффициент линейного расширения на каждом образце при одинаковой температуре в пределах от характеристической температуры, определяющей излом на кривой температурной зависимости теплоемкости, до максимальной температуры, при которой металл сохраняет упругие свойства, после чего определяют чувствительность термобиметалла β_o по формуле

где α_а, α_п температурный коэффициент линейного расширения активной и пассивной составляющих;
m_а, m_п толщина соответственно активной и пассивной составляющих термобиметалла;
E_а, E_п модуль активной и пассивной составляющих.