Дилатометр Советский патент 1939 года по МПК G01B5/02 

Дилатометрический метод является оаним из основных методов исследования металлов и их сплавов в современном металловедении.

Этот метод основан на изменении длины или объема исследуемого сплава, в зависимости от температуры или времени. По изменениям длины или объема можно судить о процессах, протекающих в сплаве, и влиянии на эти процессы различных факторов: температуры, времени, скорости нагрева и охлаждения и пр. Поэтому приборы для дилатометрического анализа металлов - дилатометры получили весьма широкое распространение как в научноисследовательских институтах, так и в заводских лабораториях.

Настоящее изобретение касается устройства дилатометра с автоматической оптической записью изменений длины на фотопленке или фотобумаге.

Эти изменения длины предлагаемый дилатометр может автоматически записать, по желанию исследователя, как в виде простых (абсолютных) кривых, так и в виде диференциальных кривых, в зависимости от температуры, или же с помощью часового механизма, в зависимости от времени.

Дилатометр пригоден для изучения как медленных, так и быстро протекающих процессов (от нескольких

суток до несколькихсекунд). Особо ценным свойством данного дилатометра является возможность автоматической записи кривых изменений длины при быстро протекающих процессах, например, при изучении закалки стали.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что регистрирующее приспособление для автоматической записи на фотопленке длины эталона-пироса и исследуемого образца, упирающихся в подпружиненные кварцевые стержни, связанные через зубчатую реечную передачу с его зеркальцем, выполнено в виде заключенного в кожух и служащего для накладывания фотопленки прозрачного барабана с помещенным внутри него зеркальцем, поворотным под действием зубчатых реек, которые воспринимают изменения длины эталона-пироса и исследуемого образца.

На чертеже изображено несколько примерных форм выполнения предлагаемого дилатометра, причем фиг. 1 изображает устройство дилатометра

в форме диференциального, фиг. 2- его продольный разрез, фиг. 3, 4, 5- различные его детали, фиг. 6, 7 - другую форму выполнения дилатометра, позволяющую получать как диференциальные, так и простые (абсолютные) кривые, фиг. 8 - еще одну форму выполнения дилатометра, который может работать как простой (абсолютный), или как простой диференциальный, или как тройной диференциальный дилатометр.

Прибор состоит из металлической цилиндрической коробки 1 (фиг. 1), сквозь которую свободно проходят два длинных цилиндрических стержня 2 и 5, имеющие в своей средней части вид зубчатых реек, сцепленных при помощи зубчатых передач 17 Л 18 с шестернями 19, 20, расположенными одна над другой в центре коробки /. На нижние концы стержней 2, 3 навинчены патрончики 4 к 5, которые пружинами 6 п 7 прижаты к кварцевым передаточным палочкам 8, 9, упирающимся в свою очередь в цилиндрические образцы Я и Q (фиг. 4 и 5). Один из образцов Q состоит из исследуемого сплава, другой образец Р служит эталоном для измерения температуры и выточен из специального сплава „пирос, имеющего прямолинейную зависимость между расширением и температурой. Образцы Р а Q поддерживаются толстой кварцевой трубкой 70, в виде перевернутой буквы Т, неподвижно закрепленной в патроне //, который привинчен к корпусу коробки 1 винтами Л2, 13. Во избежание перекоса передаточные палочки S, 9 проходят сквозь отверстия металлической муфты 14, закрепленной на трубке 10 (фиг. 4). Способ закрепления образцов Р и Q, изоб раженный на фиг. 4, наиболее пригоден для случая быстрых изменений температуры образцов, например, при закалке стали. При более медленных изменениях температуры образцы могут быть помещены в кварцевые трубочки тип (фиг. 5),

Сбоку к коробке 1 прикреплена цругая цилиндрическая коробка 75 с часовым механизмом (фиг. 2), который может вращать с желаемой скоростью барабан 32 посредством вала с шестерней 16, сцепленной с зубчатым колесом 28. Часовой механизм 15 имеет коробку скоростей, при помощи которой барабану 32 можно дать ряд различных скоростей вращения. Барабан 52 представляет собой тонкостенный прозрачный стеклянный цилиндр, укрепленный на зубчатом колесе 28, которое может вращаться от шестерни 16 вокруг неподвижной муфты 29. На муфту 29 навинчено кольцо 50 с кольцевой линзой 5/. На барабан 32 навернута светочувствительная фотопленка или фотобумага. В центре барабана 32 проходят оси щестерен 19 и 20.

Шестерня 20 (фиг. 3) сидит на пустотелой оси 22, имеющей форму трубочки, на другом конце которой 1 аходится легкая вилка 24. Шестерня 19 сидит на оси 21, проходящей сквозь трубочку 22 и имеющей на др}гом конце шестерню 25. В вилке 24 находится ось 26 с зеркальцем 27, сцепленная при помощи коронной или конической зубчатой передачи 25 с щестерней 25. Барабан 32 закрыт светопроницаемым цилиндрическим кожухом 55 с трубкой 34, в которой находятся линзы 55,40 и диафрагма 39. На трубку 34 надет колпачок 35 с электрической лампочкой 36, питаемой от источника электрического тока посредством шнура 57. Луч света от лампочки Зо, пройдя через линзы 55, 40 и диафрагму 39, падает н зеркальце 27 и, отразившись от него, проходит сквозь кольцевую линзу 5/ и дает на фотопленке, навернутой на барабан 52, изображение маленькой точки („зайчик). Таким образом, все изменения длины образцов Р и Q при помощи передаточных кварцевых палочек S, Р и зубчатых реек 2, 5 передаются в увеличенном виде посредством зубчат тых передач 17,18 на шестерни 19, 20, а следовательно, на зеркальце 27, которое фиксирует изменение длины образцов Р, Q световым лучом на фотопленке, навернутой на барабан 52.

В работе описанного прибора необходимо отметить следующие три случая.

1. Запись изменений длины образца Q в зависимости от температуры Т.

В этом случае часовой механизм 15 должен быть остановлен, и барабан 32 стоит неподвижно. Изменения длины образцов Р и Q от температуры передаются посредством передаточных кварцевых палочек 8, 9, зубчатых реек 2, 3, зубчатых передач 17, 18, шестерен 19, 20 на шестерню 23 и вилку 24 (фиг. 3). Таким образом, угол поворота шестерни 23 будет пропорционален изменению длины исследуемого образца Q, а угол поворота вилки 24 будет пропорционален изменению длины эталона-пироса Р, т. е. пропорционален изменению температуры Т. Так как шестерня 23 и вилка 24 вращаются в одинаковом направлении, то угол поворота шестерни 25 с зеркальцем 27 будет пропорционален разности углов поворота шестерни 23 и вилки 24, т. е, пропорционален разности изменений длин образцов Р и Q. Таким образом, поворот вилки 24 с зеркальцем 27 вокруг оси 22 будет пропорционален изменению длины эталона-пироса Р, т. е. пропорционален температуре Т, а поворот зеркальца 27 вокруг оси 26 будет пропорционален разности изменений длин образцов Р и Q. Следовательно, зеркальце 27 вычертит на фотопленке барабана 32 диференциальную кривую, у которой по оси абсцисс будет представлена в определенном масштабе температура Т, а .по оси ординат - разность изменений длин образца Q и эталона-пироса Р в зависимости от температуры Т. В виду того, что зеркальце 27 находится сравнительно близко у барабана 32, то при отсутствии кольцевой линзы 31 ординаты кривой были бы пропорциональны не углу поворота зеркальца 27 вокруг оси 26, а тангенсу угла поворота. Для того, чтобы не вводить поправки на тангенсы углов, служит кольцевая линза 3/, которая имеет такое сечение, что световой луч от зеркальца 27, пройдя сквозь линзу 21, отклоняется ею как раз на величину соответствующей поправки. Можно проводить опыты и без кольцевой линзы 31, но в этом случае по оси ординат необходимо вводить поправку на тангенсы углов или путем перестройки кривой или же путем нанесения по оси ординат соответствующего масштаба. Абсциссы кри-. вой будут всегда прямо пропорциональны температуре Г, и необходимо только предварительно проградуироватЬ:Эталон-пирос Р, чтобы знать температурный масштаб кривой по оси абсцисс.

2.Запись изменений длины образца Q в зависимости от времени t

при неизменной температуре

(Г const.)..

В этом случае барабан 32 вращается с постоянной скоростью часовым механизмом 15. Так как температура Т постоянна, то длина эталона-пироса Р не изменяется, и шестерня 20 с вилкой 24 находится в покое. Изменения длины исследуемого образца Q передаются через щестерни 19, 23 и 25 на ось с зеркальцем 27, которое и будет чертить на вращающемся барабане 32 кривую изменений длины образца Q в зависимости от времени.

3.Смешанный случай-запись изменений длины образца в зависимости

от времени f и температуры Т.

Часто бывает необходимо при проведении какого-либо сложного опыта зафиксировать изменения длины исследуемого образца Q на одних этапах опыта в зависимости от температуры, а на других-в зависимости от времени.

Например, требуется провести следующий сложный опыт, взятый из области термической обработки стали:

а)нагрев стального образца Q от комнатной температуры до температуры 1000°;

б)выдержка -при 1000° в течение 5 минут;

в)быстрое охлаждение от 1000° в соляшэй ванне при

г)выдержка при 300° в течение 30 секунд;

д)быстрое охлаждение от ЗОО до комнатной температуры в масле.

В этом случае опыт проводится последовательно по этапам, причем этапы а, в, д проводятся с выключенным часовым механизмом и остановленным барабаном 32, а этапы б, г при включенном часовом механизме и вращающемся барабане 32. Весь опыт будет записан на фотопленке в виде непрерывной кривой, причем участки кривой, соответствующие этапам а, в, д, будут представлять диференциальную кривую в зависимости от температуры Т, а участки, соответствующие этапам б, г, - простую (абсолютную) кривую изменений длины образца Q в зависимости от времени t.

Для подготовки к опыту прибор вносится втемную фотокомнату, где с него снимается кожух 55, вставляются образцы Р и Q, и проверяется положение зайчика на барабане 32.

Если зайчик выщел за пределы барабана, то, подвинчивая патрончики 4, 5 на рейках 2, 3, регулируют положение зайчика // на барабане так, чтобы кривая всего опыта полностью поместилась на барабане. Затем на барабан навертывается светочувствительная фотопленка или фотобумага и он закрывается кожухом 33. Для проведения опыта образцы Р и Q на кварцевой трубке 10 или в трубках т, п осторожно вводятся в электрическую горизонтальную или вертикальную печь, в которой и проходит нагрев или охлаждение. Для быстрого охлаждения (закалки) образцы Р и Q с кварцевой трубкой 10 вынимаются из нагревательной печи и быстро переносятся в охлаждающую ванну с соответствующей температурой.

Из вышеизложенного следует, что описанный дилатометр позволяет получать кривые изменений длины образца Q следующих двух типов:

1)диференциальная кривая в зависимости от температуры Т,

2)простая (абсолютная) кривая в зависимости от времени t при постоянной температуре Т.

Часто бывает желательно получить изменения длины исследуемого образца Q в зависимости от температуры Г не в виде диференциальной кривой, а в виде простой (абсолютной) кривой.

На фиг. 6 представлено видоизменение дилатометра, который может записать кривые следующих трех типов:

1)диференциальная кривая в зависимости от температуры Т;

2)простая (абсолютная) кривая в зависимости от времени t при постоянной температуре Т.

В нем имеются три подвижные рейки 2, 5 и 41, связанные между собой системой рычагов 46 и 47. Рейки 3 и 41 соединены в точках а и с рычагом 46, а рейка 2 и ось вращения е соединены в точках due рычагом 47. Середины рычагов 46 и 47 соединены между собой в точке 1).

В работе этого дилатометра могут быть следующие три варианта:

1. Запись изменений длины образца Q в виде простой (абсолютной) кривой в зависимости от температуры Т.

В этом случае изменения длины эталона-пироса Р, пропорциональные температуре Т, передаются через рейку 3, зубчатую передачу 17 на шестерню 20 и на вилку 24 (фиг. 3 и 6).

Изменения длины исследуемого образца Q передаются через рейку 41, систему рычагов 46 и 47 на рейку 2, зубчатую передачу J8 и на шестерни 19 и 23.

Если обозначить перемещение точки а рейки 3 от расщирения эталонапироса Р через X, а перемещение точки с рейки 41 от расширения образца Q через v, то перемещение точки Ь, как лежащей посредине между точками а и с, будет равно

+-(+3),

так как точка b лежит также посередине между точками d и е- Таким образом, угол поворота вилки 24 будет пропорционален х, а угол поворота шестерни 22 пропорционален (). Так как вилка 24 и шестерня 23 поворачиваются в одинаковую сторону, то угол поворота шестерни 25 с зеркальцем 27 вокруг оси 26 будет пропорционален разности: () - х у, т. е. пропорционален расширению образца Q от температуры. Следовательно, зеркальце 27 вычертит на барабане 32 простую (абсолютную) кривую изменений длины образца Q в зависимости от температуры Т. Все вышеприведенные выводы сделаны в предположении, что мы пренебрегаем расширением кварца от температуры.

2. Запись изменений длины образца Q в виде диференциальной кривой в зависимости от температуры Т.

В этом случае патрон 44 с кварцевой трубкой п отвинчивается от своего места и навинчивается на патрубок 43. Патрон 45 с трубкой т остается на своем прежнем месте. Передача расширений от образцов Р и Q происходит через рейки 2 и 5, рейки же 41 и рычаги 46 и 47 не принимают участия в передаче и движутся вхолостую. Прибор в данном случае работает так же, как дилатометр, изображенный на фиг. 1, т. е. зеркальце 27 будет чертить на барабане 32 диференциальную кривую в зависимости от температуры Т.

3. Запись изменений длины образца Q в виде простой (абсолютной) кривой в зависимости от времени при постоянной температуре Т.

Если в двух вышеописанных вариантах температура Т будет постоянной, то длина эталона-пироса не будет меняться, и шестерня 20 с вилкой 24 будет находиться в покое. В этом случае все изменения длины образца Q будут передаваться зеркальцу 27, которое и будет чертить на врашающемся барабане 32 кривую изменений длины образца Q в зависимости от времени t.

На фиг. 7 изобран ено еш,е одно видоизменение дилатометра, который также дает кривые трех типов:

1)диференциальную кривую в зависимости от температуры Т;

2)простую (абсолютную) кривую в зависимости от температуры 7;

3)простую (абсолютную) кривую в зависимости от времени t при постоянной температуре Г.

В этом приборе имеются также три подвижные зубчатые рейки 2, 5 и 48, соединенные в точках а, b н с с рычагом 49, причем точка b находится посередине между точками а и с. Зубчатая передача 18, находясь в постоянном зацеплении с шестерней 19, может при помонхи винта 50 передвигаться около центра коробки 7 и быть в зацеплении или с рейкой 5 или с рейкой 48.

В работе этого дилатометра могут быть также три варианта.

1.Запись изменений длины образца Q в виде диференциальной кривой

в зависимости от температуры Г.

В этом случае зубчатая передача /8 находится в зацеплении с рейкой 5 и расцеплена от рейки 48, как изображено на фиг. 7. Передача расширений от образцов Р и Q происходит через рейки 2 и 5, рейка же 48 и рычаг 49 в передаче участия не принимают и движутся вхолостую. Прибор в данном случае работает как ранее описанный и изображенный на фиг. J, т. е. как диференциальный дилатометр.

2.Запись изменений длины образца Q в виде простой (абсолютной) кривой в зависимости от температуры Т.

В этом случае зубчатая передача 18 при помощи винта 50 передвигается в направлении, указанном стрелкой, и отойдя от рейки 5, приходит в зацепление с рейкой 48. Изменения длины эталона-пироса Я, пропорциональные температуре Т, передаются через рейку 2, зубчатую передачу 17 на шестерню 20 и вилку 24. Изменения длины исследуемого образца Q передаются через рейку 5, рычаг 49, рейку 48, зубчатую передачу /8 на шестерни 19 и 23.

Если перемещение точки а рейки 2 от расширения эталона-пироса Р будет X, а перемещение точки b рейки 5 от расширения образца Q будет у, то перемещение точки с рейки 49 будет равно (2у-х). Таким образом, угол поворота вилки 24 будет пропорционален х, а угол поворота шестерни 23 пропорционален ()Так как вилка 24 и шестерня 23 поворачиваются в разные стороны, то угол поворота шестерни 25 с зеркальцем 27 вокруг оси 26 будет пропорционален сумме (2у - х)-{-х 2у, т. е. пропорционален расширению образца Q от температуры. Следовательно, зеркальце 27 вычертит на барабане 32 простую (абсолютную) кривую изменений длины образца Q в зависимости от температуры Т.

3. Запись изменений длины образца Q в виде простой (абсолютной) кривой в зависимости от времени t при постоянной температуре Т.

Если в двух вышеописанных вариантах температура Т будет постоянной, то длина эталона-пироса Я будет неизменной, и шестерня 20 с вилкой 2 будут находиться в покое. В этом случае зеркальце 27 будет поворачиваться вокруг оси 26 пропорционально изменениям длины образца Q и вычертит на вращающемся барабане 32 кривую изменений длины в зависимости от времени.

Во всех вышеописанных вариантах дилатометра (фиг. 1-7) диференциальные кривые в зависимости от температуры Г получаются при помощи эталона-пироса Р. Он служит эталоном как для измерения температуры (отклонения по оси абсцисс пропорциональны температуре), так и эталоном, с которым сравнивается расширение исследуемого образца Q (отклонения по оси ординат пропорциональны разности расширений образцов Р и Q).

Для товышения чувствительности прибора при выявлении незначительных объемных изменений необходимо разделить эти функции эталонапироса Р и оставить его только для измерения температуры. В качестве

же эталона, с которым сравнивается расширение образца Q, берут другой образец R, чаще всего из отожженного исследуемого материала. Так, например, для выявления влияния, оказываемого какой-либо обработкой (ковка, закалка, волочение и др.) на сталь при ее последующем нагревании, в качестве эталона / берут образец из исследуемой отожженной стали. Такой диференциальный дилатометр, который имеет три образца (эталон-пирос Р, исследуемый Q и эталон из отожженного исследуемого металла /), называется тройным диференциальным дилатометром.

На фиг. 8 изо-бражено видоизменение дилатометра, выполненное в виде тройного диференциального дилатометра, который может записывать кривые следующих четырех типов:

1)тройная диференциальная кривая в зависимости от температуры при расширении трех образцов Р, Q и

2)простая диференциальная кривая в зависимости от температуры при расширении двух образцов Р, Q;.

3)простая (абсолютная) кривая в зависимости от температуры Т;

4)простая (абсолютная) кривая в. зависимости от времени t при постоянной температуре Т.

В этом дилатометре имеются четыре подвижные рейки 2, 3, 41 51 связанные между собой системой двух рычагов 46 и 47. Середины рычагов 46 и 47 связаны между собой в точке Ь. В остальном устройства прибора одинаково с вышеописанными вариантами дилатометров.

Проследим работу этого дилатометра при получении всех четырех типов кривых.

1, Запись тройной диференциальной кривой в зависимости от температуры при расширении трех образцов Р, Q, R.

В этом случае передача расширений происходит: от эталона-пироса Р через рейку 5, от исследуемого образца Q через рейку 41, и от эталонов из отожженного исследуемого материала R через рейку 51.

Если перемещение реек 5, 41 и 5/ ,от расширения соответствующих образцов Р, Q, R будет равно:

перемещение точки а рейки 5 от эталона-пироса

перемещение точки с рейки 41 от исследуемого образца

перемещение точки е рейки 51 от эталона R z,

то перемещение точки d рейки 2 будет равно ( - z).

Таким образом, угол поворота вилки 24 будет пропорционален х, а угол поворота шестерни 23 будет пропорционален (x-{-y-z). Так как вилка 24 и шестерня 23 поворачиваются в одинаковые стороны, то угол поворота шестерни 25 с зеркальцем 27 будет пропорционален разности (, - z) - x, т. е. пропорционален (А; -г). Следовательно, зеркальце 27 будет поворачиваться вокруг оси 25прямо пропорционально разности расширений (у - z) образцов Q и /, а вилка 24 будет поворачиваться вокруг оси 22 прямо пропорционально расширению л; эталонапироса Р, т. е. температуре Т.

Полученная таким образом кривая будет тройной диференциальной кривой в зависимости от температуры Г, т. е. прибор работает как тройной диференциальный дилатометр.

2 Запись простой диференциальной кривой в зависимости от температуры Т при расширении двух образцов Р и Q.

3. Запись простой (абсолютной) кривой в зависимости от температуры Т.

Если убрать патрон 53 с кварцевой трубкой и образцом,оставив патроны 44, 45 с образцами Р и Q, и закрепить рейку 51 неподвижно при помощи винтов 52, то тогда точка е будет неподвижной, и мы получим вариант дилатометра, изображенный на фиг. 6. В этом же дилатометре, как уже было описано шыше, мы можем получить или диференциальную кривую, если передача расширений от образцов Р, Q будет происходить через рейки 3 и 2, или простую (абсолютную) кривую, если передача расширений будет происходить через рейки 3 и 41.

4. Запись простой (абсолютной)

кривой в зависимости от времени t

при постоянной температуре Т.

Если во всех трех вышеописанных вариантах температура Т постоянной, то длина эталона-пироса Р и эталона Q из испытуемого отожженного сплава не будет меняться, и вилка 24 будет находиться в покое. Зеркальце 27 будет в этом случае чертить на вращающемся барабане 32 простую (абсолютную) кривую изменений длины образца Q в зависимости от времени t.

Предмет изобретения.

1.Ди.патометр с оптическим регистрирующим приспособлением для автоматической записи на фотопленке изменений длины эталона-пироса и исследуемого образца, упирающихся в подпружиненные кварцевые стержни, связанные через зубчатую реечную передачу с зеркальцем регистрирующего приспособления, отличающийся тем, что регистрирующее приспособление выполнено в виде заключенного в кожух 55 и служащего для накладывания фотопленки прозрачного барабана 52 с помещенным внутри него зеркальцем 27, поворотным под действиемзубчатых реек 2, 5, воспринимающих изменения длины эталона-пироса и исследуемого образца.

2.Форма выполнения дилатометра по п. 1, отличающаяся тем, что зеркальце 27 укреплено на оси 26, помещенной в вилке 24 оси 22 и зубчатой передачей связанной с осью 2/, из которых полая ось 22 соединена через зубчатую передачу с рейкой 2, а проходящая внутри нее ось 21 - с рейкой 5.