СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА Российский патент 1995 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к измерению физических свойств конструкционных материалов из металлов и сплавов и может найти применение при определении достоверных свойств, например характеристической температуры (ХТ) (θ), теплоемкости (С), ТКЛР (α), частоты собственных колебаний (f), модуля Юнга (Е) и др. в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой контролируемый материал сохраняет упругие свойства.

Известен способ определения ХТ металла [1] Сущность его заключается в том, что определяют универсальную функцию Дебая, который позволяет описать температурную зависимость теплоемкости при помощи одного индивидуального параметра вещества ХТ. Закон Дебая, в который входит температура в кубе, хорошо описывает изменение теплоемкости между 0 К и примерно Т/θ 0,1, а уравнение, в которое входит температура в квадрате, дает хорошее приближение примерно до значений T/θ 0,5. При еще более высокой температуре это уравнение приводит к значениям теплоемкости, соответствующей закону Дюлонга-Пти. По существу функция приближенно разделена на два участка: спада и постоянства, а также связи между ними.

Основным недостатком способа является погрешность, обусловленная рассеиванием межатомного расстояния в контролируемом материале и соответственно сил межатомного взаимодействия, которая значительно превышает 15%
Известен способ определения ХТ [2] Он заключается в том, что используют граничную (максимальную) частоту колебательного спектра атомов ν, которая характеризует силы межатомной связи и их рассеивание в зависимости от наличия дефектов структуры в материале:
θ где h постоянная Планка; К постоянная Больцмана.

Задача состоит в вычислении спектра колебаний, которая решается с помощью теории решетки и теории КОНТИНУУМА, т.е. ХТ не имеет постоянной величины. Удовлетворительное приближение можно получить на основе представлений о КОНТИНУУМЕ, так как большая часть колебаний отвечает длинам волн, значительно превышающим межатомные расстояния. Погрешность при этом превышает 12% Граничная частота колебательного спектра атомов зависит от дефектов структуры в металле и имеет рассеивание в широких пределах.

Известен также способ определения ХТ [3] Сущность его заключается в том, что теоретически определяют границу между участками постоянства и спада температурной зависимости теплоемкости, обусловленной изменением сил межатомных связей. Иными словами разделяют температурную характеристику теплоемкости металла, представляющего линейную систему, на участки постоянства и спада, а учитывают переход между ними.

ХТ может быть рассчитана по физическим свойствам, например по температуре плавления металла, которая характеризует энергию межатомного взаимодействия:
θ 13 где T_S температура плавления металла;
А атомная масса;
V атомный объем.

Погрешность определения ХТ при этом составляет около 10%
Известен способ определения физических характеристик [4] принятый в качестве прототипа. Он заключается в удалении измененного поверхностного слоя и пластических внутренних напряжений (ВН) с образца из контролируемого материала, представляющего линейную систему, а также в измерении температурной зависимости его параметра (частоты собственных колебаний, теплоемкости, ТКЛР и др.) в области изменения угла наклона прямых линий на участках постоянства и спада и выявлении границы между участками на оси абсцисс, при которой внутренняя энергия металла минимальная. Погрешность ХТ при этом составляет около 6%
Целью изобретения является повышение точности определения ХТ.

Цель достигается тем, что ограничивают примеси в контролируемом материале, измеряют величину и знак упругих ВН от дефектов структуры (σ_gc) при комнатной температуре, измеряют значение контролируемого параметра после полного выравнивания температуры по всему объему образца на каждом участке при двух температурах, определяют точку пересечения прямых, соединяющих две точки каждого из участков, абсцисса которой определяет искомую ХТ для контролируемого материала при определенном значении упругих ВН.

Для определения ХТ-константы отбирают контролируемый металл, в котором ВЕ равны нулю, т.е. положительные ВН от дефектов структуры скомплектованы отрицательными ВН от воздействия комнатной температуры. Здесь ограничены или учтены погрешности межатомных расстояний в контролируемом материале и соответственно избыточных сил межатомных связей, которые вызывают образование ВН, вызванные примесями, упругими дефектами структуры и воздействием колебаний температуры в процессе измерения ХТ. Все эти воздействия вызывают деформации тела и соответственно изменение его свойств, которые можно оценить количественно, например, с помощью частоты продольных собственных колебаний стержня
f где l длина стержня; Е модуль Юнга; ρ плотность.

При повышении температуры, т.е. при растяжении стержня, частота уменьшается, так как увеличивается его длина:
f_t f Δ f где f_t частота собственных колебаний при повышении температуры на Δ Т; f частота собственных колебаний при определенной комнатной температуре. Δ f приращение частоты после воздействия температуры Δ Т.

Аналогично частоте собственных колебаний тела, которая характеризует его внутреннюю энергию, в качестве контролируемого параметра могут использоваться также теплоемкость, ТКЛР, модуль Юнга и др.

Чистота металла зависит от способа его производства, высокочистой шихты, рафинирования, вакуумирования, обработки шлаками и т.д. Используются традиционные способы ограничения примесей и легирования.

Материал, в котором отсутствуют ВН, можно создать или отобрать из существующих. Для определения величины и знака упругих ВН используют уравнение
σ_вну=-(σ_тру+σ_тсу) где σ_труиσ_тсу пределы текучести соответственно при растяжении и сжатии упругого материала после снятия пластических ВН; σ_вну упругие ВН.

Если бы существовали константы металла, например температурный коэффициент электросопротивления α_R, его можно было бы использовать для получения или отбора материала без ВН. Однако до настоящего времени такие константы отсутствуют.

Тело без ВН обладает интересными свойствами. Оно стабильно во времени, его свойства многократно воспроизводимы. В нем избыточные силы межатомного взаимодействия равны нулю. Оно обладает минимальной внутренней энергией. В такое состояние реальный металл переводит воздействие ХТ.

На практике встречаются металлы с положительными, отрицательными и близкими (равными) к нулю ВН. Причем пластические ВН релаксируют (уменьшаются) во времени при любых условиях и нагрузках. Природа распорядилась так, что они самостоятельно пропадают во времени. Упругие ВН могут быть уменьшены или удалены с помощью различных воздействий, например деформации тела, воздействия температуры.

Для удаления (снятия) пластических ВН стабилизируют тело до полного прекращения приращения контролируемого параметра (частоты собственных колебаний, теплоемкости, ТКЛР, модуля Юнга и др.). В настоящей работе в качестве контролируемого параметра использована продольная частота собственных колебаний стержня, которая согласована с теплоемкостью.

Измерение контролируемого параметра производят после полного выравнивания температуры по всему объему образца, которое выявляют по прекращению приращения контролируемого параметра.

П р и м е р. Практически, чтобы получить хТ-константу, необходимо в первую очередь удалить ВН и ограничить примеси. Используют два материала свинца: поликристаллический свинец высокой чистоты, например Ад ≅ 0,0003; Bi ≅ 0,004; Cu ≅ 0,0005; Sn ≅ 0,0005; Zn ≅ 0,001, при химическом составе не менее 99,99% и σ_вну ≃ 0 и свинец с большим содержанием примесей: Ад ≅ 0,0014; Bi ≅ 0,06; Cu ≅ 0,002; Sn ≅ 0,005; Zn ≅ 0,005, при Р_в > 99,9 и σ_вну -1,6 кгс/мм², где σ_вну упругие ВН.

Выполнены испытания, измерена ХТ₁44К и С_р 0,129 Дж˙кг^-1 ˙к^-1при Т 296 К, а также ХТ₂ 48 К и С_р 0,124 Дж˙кг^-1 ˙к^-1 при Т 296 К. Погрешность теплоемкости C_p= 0,039, C_p= 3,9% Погрешность ХТ Δθ 0,09, что составляет 9%
На фиг. 1 изображена температурная зависимость теплоемкости в области ХТ, где а для свинца высокой чистоты при отсутствии ВН, б для свинца с большим содержанием примесей при наличии ВН: σ_вну= -1,6 кгс/мм².

Основные преимущества предлагаемого способа определения ХТ металла по сравнению с существующими. Получена ХТ первая константа металла. Получена возможность определить другие константы металла, например температурный коэффициент электросопротивления, ТКЛР, а также достоверные свойства в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой тело сохраняет упругие свойства, например теплоемкость. Для измерения контролируемого параметра используется один образец, что резко уменьшает трудоемкость испытаний. Частота собственных колебаний, используемая в качестве контролируемого параметра, имеет преимущества по точности и трудоемкости. Кроме этого, имеется стандартная аппаратура, например электронно-счетные частотомеры, генератор сигналов и др. Поэтому приводят дополнительно зависимость f(T) (фиг. 2).

Использована сталь 40Х13. Изготовлен образец из проката диаметром 10/120, в котором удален измененный поверхностный слой и пластические ВН. Измеряют частоту собственных колебаний в двух точках на участке спада и в двух точках на участке постоянства.

Результаты сводят в таблицу.

Использование различных свойств в качестве контролируемого параметра позволяет получать характеристическую температуру для металла, которая совпадает по абсолютному значению, при условии учета влияния примесей пластических и упругих ВН, т.е. при определении константы.

Имеется возможность использовать ХТ в качестве базы для аналитического определения физических свойств, например теплоемкости, температурных напряжений, температуры сверхпроводимости, ТКЛР, что обеспечивает экономию металла.

Использование: для измерения физических свойств конструкционных материалов при определении достоверных свойств, например теплоемкости, модуля упругости, предела текучести и других параметров, в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой контролируемый металл сохраняет упругие свойства. Сущность изобретения: способ определения характеристической температуры (ХТ) металла состоит в том, что ХТ, которая характеризуется микроравновесием частиц (атомов) при минимальной внутренней энергии тела, определяют абсциссой точки пересечения температурной зависимости контролируемого параметра, т.е. между участками постоянства и спада. Температурную зависимость контролируемого параметра снимают с образца с минимальным количеством примесей. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА, при которой внутренняя энергия металла минимальна, заключающийся в удалении измененного поверхностного слоя и пластических внутренних напряжений образца из контролируемого металла, возбуждении его колебания и измерении температурной зависимости частоты собственных колебаний при двух значениях температуры на участке спада собственной частоты и при двух значениях температуры на участке постоянства собственной частоты, и определении искомой температуры как абсциссы точки пересечения двух прямых, проведенных в координатах температура собственная частота через точки, соответствующие выбранным значениям температуры и измеренным при этих значениях собственных частотах, отличающийся тем, что контролируемый металл выбирают с минимальным количеством примесей, определяют знак и величину упругих внутренних напряжений при комнатной температуре, а значение частот собственных колебаний на участках постоянства и спада измеряют после полного выравнивания температуры по всему объему образца, которое выявляют по прекращению приращения собственной частоты, при этом искомую характеристическую температуру металла определяют при найденном значении упругих внутренних напряжений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют образец металла, в котором положительные внутренние упругие напряжения от дефектов структуры скомпенсированы отрицательными внутренними упругими сопряжениями от воздействия комнатной температуры.