СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МЕТАЛЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 1995 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к способам испытания металлов в стабильном состоянии, в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой данный металл сохраняет упругие свойства, и может найти применение, например, при измерении истинной теплоемкости с погрешностью около 1%
Известен способ определения теплоемкости металла [1] Сущность его состоит в том, что в классической теории теплоемкости однородный металл рассматривается как совокупность совершенно независимых друг от друга частиц, совершающих колебания с одинаковой частотой. На этой основе Дюлонгом и Пти определена атомная теплоемкость однородных металлов, которая равна С ≃ 2,5˙10⁴ Дж/град˙кмоль ≃ const в упругой области температурных воздействий.

Однако наблюдается отступление от закона Дюлонга-Пти у всех металлов при изменении температуры (выше нормальной или ниже нее).

Дебай показал, что атомы металла не могут колебаться независимо друг от друга, и учел это в своей формуле атомной теплоемкости металла. В области низких температур формула теплоемкости Дебая приводит к кубической неоднозначной зависимости теплоемкости от температуры. В области характеристической температуры (ХТ) теплоемкостью вычисляется приближенно. Несмотря на большое рассеивание теплоемкости, явно обнаруживается два линейных участка: постоянства прямая приближается к параллельной оси абсцисс и спада резкое падение к оси абсцисс и приближение к нулю в области абсолютного нуля.

Широкое распространение в настоящее время получил способ определения теплоемкости при нормальных условиях и в характерных точках температуры (20, 40, 80, 150, 250, 600 К) при давлении 760 мм рт.ст. [2]
К недостаткам способа относятся большая погрешность и трудоемкость испытаний.

Наиболее близким к предлагаемому, который использован в качестве прототипа, является способ [3] заключающийся в том, что уменьшают нелинейность температурной зависимости теплоемкости упорядочением структуры контролируемого металла. В итоге получают прямую линию, которая изменяет угол наклона при характеристической температуре (ХТ).

Недостатки способа неполное удаление пластических внутренних напряжений (ВН), что сохраняет нелинейность характеристики, а неполная однородность материала вызывает рассеивание ХТ при переходе различными объемами тела равновесного состояния с минимальной потенциальной энергией.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и уменьшение трудоемкости определения теплоемкости металла.

Это достигается тем, чем изготавливают образец при чистовом режиме резания, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействия процесса резания, стабилизируют их до полного прекращения приращения контролируемого параметра частоты собственных колебаний, т.е. удаляют пластические ВН, измеряют теплоемкость образца из контролируемого металла в двух точках интервала постоянства выше ХТ.

С(Т)_n К_nТ + b_n, (1) измеряют теплоемкость образца в двух точках интервала спада ниже ХТ
С(Т)_c K_cT + b_c, (2) где Т приращение температуры относительно ХТ,
K_n, b_n, K_c, b_c коэффициенты прямой линии участков постоянства и спада.

Для определения констант теплоемкости металла, т. е. воспроизводных значений в пределах упругих температурных воздействий, удаляют в контролируемом металла также упругие ВН путем компенсации их температурных напряжений при комнатной температуре. Абсцисса точки пересечения участка постоянства с участком спада определяет ХТ.

На фиг. 1 изображена температурная зависимость предела текучести стали ЭП921 в стабильном состоянии, т.е. после удаления пластических релаксируемых ВН.

Величина и знак температурных напряжений определяется относительно ХТ, при которой результирующая избыточных сил равна нулю. При этом изменяется знак температурных напряжений. ХТ определяют микроравновесие сил и их реакций при минимальной потенциальной энергии тела. Для того чтобы получить это характерное состояние, при котором отсутствует ВН в теле, при комнатной температуре осуществляют компенсацию ВН температурными напряжениями.

На фиг.2 изображены характеристики теплоемкости в зависимости от температуры: а металл обработан по технологии настоящей заявки; б использованы данные из "Справочника по теплофизическим характеристикам".

Так как металл образца не полностью однороден, то переход состояния микроравновесия частиц при ХТ происходит при различных температурах, т.е. дает рассеивание.

Под удалением измененного поверхностного слоя понимают полное удаление инородной фазы типа окисла металла, адсорбированных газов и примесей, а также нарушений кристаллической решетки. Измененный поверхностный слой удаляют чистовой проточкой образца с параметрами режима, при которых силовое и тепловое воздействие взаимно компенсируются. Контроль осуществляют по прекращению приращения частоты продольных собственных колебаний образца.

Чтобы ограничить погрешность теплоемкости, удаляют пластические ВН; чтобы получить воспроизводимые значения теплоемкости, ограничивает также упругие ВН, например, путем компенсации ВН температурными напряжениями при комнатной температуре.

П р и м е р. Используя образец из ниобия, снимают зависимость теплоемкости от температуры на участке спада N/30; 0,04˙10^-3, 2/60; 0,126˙10^-3 и на участке постоянства 3/240; 0,261˙10^-3/, 4/400; 0,278˙10^-3/, которые разделены характеристической температурой ХТ-102К.

Составив уравнения прямой для каждого участка по двум точкам и преобразовав их, получим:
для участка спада С(Т)_с 2,8667х10^-6 Т 4,6х10^-5
для участка постоянства С(Т)_n 10,625x10^-6+23,55х10^-5 Они используются для определения теплоемкости в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой данный материал сохраняет упругие свойства. Например, теплоемкость ниобия при Т 300К СТ₃₀₀ 0,267х10^-3 Дж/кг˙К.

Эффект достигнут за счет учета влияния дефектов структуры, вызванных пластическими ВН. Аналогично можно ограничить дефекты структуры, вызванные упругими ВН.

Использование: для испытания конструкционных материалов в стабильном состоянии, в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой данный металл сохраняет упругие свойства, и может найти применение, например, при измерении теплоемкости с погрешностью около 1%. Сущность изобретения: в основе способа определения теплоемкости металла при различных температурах использованы данные, определяющие состояние контролируемого металла, например учет легирования, примесей, дефектов структуры, вызывающих образование внутренних напряжений (ВН). Пластические релаксируемые ВН удалены стабилизацией, упругие ВН ограничены путем компенсации их температурными напряжениями. Температурная зависимость теплоемкости металла, представляющего линейную систему, содержит в упругой области два линейных участка, разделенных характеристической температурой. Теплоемкость в интервале постоянства C(T)_п и спада C(T)_c определяются из уравнений C(T)_п=K_п·T+b_п, C(T)_c=K_c, T+b_c, где K, b - постоянные прямой линии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения теплоемкости металла в области температур, при которых металл сохраняет упругие свойства, заключающийся в ограничении примесей, дефектов структуры исследуемого образца, а также колебаний температуры при испытании, и измерении зависимости теплоемкости от температуры C(τ), отличающийся тем, что образец из исследуемого металла изготавливают при чистовом режиме резанья, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействий процесса резанья, стабилизируют его, удаляя внутренние пластические напряжения до прекращения приращения частоты собственных колебаний, измеряют теплоемкость C образца при двух значениях температуры T выше и при двух значениях ниже характеристической температуры, определяющей излом на кривой зависимости C(T), находят постоянные коэффициенты для уравнений, описывающих два линейных участка постоянства и спада зависимости C(T), и на каждом участке определяют теплоемкость по соответствующему уравнению:
C(T)_п=k_пT+b_п;
C(T)_c=k_cT+b_c,
где k_п, b_п постоянные коэффициенты для участка постоянства;
k_c, b_c постоянные коэффициенты для участка спада. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируемый образец выбирают из условия равенства пределов текучести при деформациях растяжения и сжатия.