СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕРВАЛА РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОБИМЕТАЛЛА Российский патент 1997 года по МПК G01N3/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при разработке чувствительных элементов из термобиметалла, выполняющих функции измерительного, регулирующего, компенсационного и защитного действия.

Известен способ определения рекомендуемой рабочей температуры термобиметалла [1] Он заключается в том, что кратковременный нагрев образца до этой температуры с последующим охлаждением не должен приводить к заметной остаточной деформации. Изменение размеров и свойств термобиметалла наблюдается также во времени, т. е. при релаксации пластических внутренних напряжений /ВН/.

Нелинейность деформационных характеристик свидетельствует, что в биметаллах имеются неупругие ВН, а параметры /чувствительность/ зависят от температуры.

Известен также способ определения минимальной и максимальной рабочей температуры термобиметалла [2] используемый в качестве прототипа. Сущность его состоит в том, что на температурной области применения термобиметалла отбирают температурную область линейной системы, т.е. ограничивают интервал рабочей температуры термобиметалла.

Нелинейность температурной зависимости параметра биметалла обусловлена пластическими ВН, которые возникают при различных дефектах структуры, например, при рассеивании легирующего элемента, примесей, изменении технологии производства.

недостатком его является ограничение рабочего интервала температур, большая погрешность и трудоемкость определения интервала рабочей температуры термобиметалла.

Зависимость прогиба (f) от температуры свидетельствует, что существует лишь приближенная линейность характеристик термобиметалла в ограниченном интервале температур /140 200^oC/. Причем нелинейность например, чувствительности изменяет величину рабочего интервала температур.

Целью изобретения является увеличение интервала рабочих температур термобиметалла, повышение точности и уменьшение трудоемкости испытания.

Поставленная цель достигается тем, что удаляют с образца измененный поверхностный слой чистовой обработкой резанием при взаимной компенсации теплового и силового воздействия измеряют частоту собственных колебаний образца при чистовой обработке до прекращения ее приращения, подвергают образец термическому воздействию до снятия пластических релаксируемых ВН, измеряют зависимость частоты собственных колебаний образца от температуры при выдержке на каждой ступени до полного выравнивания температуры по объему образца, которую выявляют по прекращению приращения частоты, определяют на ней минимальное значение интервала температуры термобиметалла, как температуру изменения угла наклона между участками постоянства и спада и максимальное значение интервала, как максимальное значение температуры, до которого контролируемый материал сохраняет упругие свойства.

В качестве контролируемого параметра используют, например, частоту собственных колебаний, температурный коэффициент линейного расширения /ТКЛР/, теплоемкость образца термобиметалла.

Чтобы удалить измененный поверхностный слой с образца задаются скоростью резания при чистовой обработке /проточке круглого стержня, шлифовании или фрезеровании пластины/, например, U=46 м/мин. Изменяя глубину резания /t/ и подачу /S/ определяют режим обработки, который не дает приращения частоты продольных собственных колебаний образца. Это свидетельствует о том, что измененный поверхностный слой удален, а новый не образуется. Для Ст 45 при токарной обработке t 0,125 мм/ст, S 0,09 мм/об.

Для определения режима стабилизации, который снимает пластические ВН задаются временем выдержки /2 ч./. Определяют температуру нагрева образца при которой приращения частоты собственных колебаний пропадают. Измерения производят при комнатной температуре.

При определении минимальной /T₁/ и максимальной /T₂/ температуры используется участок постоянства на котором приращение контролируемого параметра минимально и имеет постоянное значение. Поэтому участок постоянства и использован в качестве интервала рабочей температуры термобиметалла.

На фиг. 1 изображена температурная зависимость ТКЛР железохромоникелевого сплава в котором ограничено рассеивание легирующих элементов и примесей /табл.1/.

Все сплавы используемые в термобиметаллах не имеют постоянного химсостава, что обуславливает дополнительное рассеивание их параметров.

На фиг. 2 изображена температурная зависимость удельной теплоемкости термобиметалла ТБ1523. Определена минимальная температура T₁ 149^oK.

Максимальная температура определяется по начальному отклонению характеристики на участке постоянства от прямой линии, т.е. в начале достаточно интенсивной диффузии частиц. Для термобиметалла ТБ1523 T₂=681^oK.

Уменьшение трудоемкости испытания термобиметалла достигнуто за счет уменьшения количества образцов и описания контролируемого параметра не статистическими методами, а использования причинных связей и собственно одного образца.

Повышение точности определения интервала рабочей температуры и его расширение обусловлено тем, что использовано контролируемое тело, представляющее линейную систему, т. е. удалена случайная составляющая погрешности, вызванная пластическими релаксируемыми ВН.

Рассеивание параметров термобиметалла существенно ограничено также в результате уменьшения рассеивания легирующих элементов и примесей. Временная стабильность размеров и параметров термобиметалла достигает около 30 лет.

Пример 1. Использован железохромоникелевый сплав /табл.1/. Исходные материалы сплавляли в электрической дуговой печи в атмосфере аргона. Для удаления измененного поверхностного слоя образец дополнительно проточен V 46 м/мин, t 0,125 мм/ст, S 0,09 мм/об, резец из сплава T15K6; без охлаждения.

Для стабилизации, т. е. удаления пластических ВН выполнен отжиг при T 540^oC, t 140 мин, V_охл.≅120^oC/ч до T 390^oC. Изменен ТКЛР при различных температурах при полном выравнивании температуры по всему объему образца на каждой ступени, которое оценивалось по прекращению приращения ТКЛР /t 80 мин/. Погрешность измерения ТКЛР меньше 3% Результаты сведены в табл. 2. Откуда следует, что для определения T₁ необходимо использовать участок постоянства и первый участок спада, T₁142^oK.

Пример 2. Использован термобиметалл марки ТБ1523. На образце удалены измененный поверхностный слой и пластические ВН. Измерена удельная теплоемкость при различных температурах. Результаты сведены в табл. 3. Определена минимальная температура T₁=149K. Интервал температур для термобиметалла марки ТБ1523
T T₂ T₁ 681 149 532 K Согласно ГОСТ 10533-86 рекомендуемый температурный интервал для термобиметалла марки ТБ1523 /без нагрузки/ T 473 213 260Kв

Изобретение относится к испытаниям конструкционных материалов и может найти применение при разработке чувствительных элементов из термобиметалла, выполняющих функции измерительного, регулирующего, компенсационного и защитного действия. Существующий температурный интервал использования термобиметалла ограничен пластическими релаксируемыми внутренними напряжениями /ВН/, которые вызывают нелинейность системы и рассеивание чувствительности в упругой области деформирования, а релаксация их - изменение размеров и свойство во времени. Удаление пластических ВН стабилизацией превращает термобиметалл в линейную систему с резко ограниченной случайной составляющей погрешностей параметров и соответственно с увеличение интервала рабочей температуры. Нижний предел рабочего интервала температуры термобиметалла определен в точке пересечения участков постоянства и спада - изменения угла наклона температурной зависимости контролируемого параметра /КП/. Верхний предел определен по отклонению линейной характеристики КП на участке постоянства от прямой линии, т. е. по максимальной температуре при которой контролируемый материал сохраняет упругие свойства. 2 ил., 3 табл.

Способ определения интервала рабочей температуры термобиметалла, заключающийся в том, что образец из контролируемого материала подвергают температурному воздействию путем нагрева с последующим охлаждением, определяют величину приращения контролируемого параметра и соответственно интервал рабочей температуры, отличающийся тем, что удаляют с образца измененный поверхностный слой чистовой обработкой резанием при взаимной компенсации теплового и силового воздействия, измеряют частоту собственных продольных колебаний образца при чистовой обработке до прекращения ее приращения, подвергают образец термическому воздействию для снятия пластических релаксируемых внутренних напряжений, снимают зависимость частоты собственных колебаний образца от температуры при выдержке на каждой ступени до полного выравнивания температуры по объему образца, которую выявляют по прекращению приращения частоты, определяют на ней минимальное значение интервала рабочей температуры термобиметалла, как температуру изменения угла наклона между участком постоянства и спада и максимальное значение интервала, как максимальное значение температуры, до которого контролируемый материал сохраняет упругие свойства.