УСТАНОВКА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦА ИЗ ТОКОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРЕВЕ
PLANT FOR MECHANICAL AND THERMAL TESTS OF SAMPLE FROM CURRENT-CONDUCTING MATERIAL DURING PULSE HEATING

-2
-1
Изобретение относится к механическим и теплофизическим испытаниям, а конкретно к испытаниям токопроводящих материалов (ТМ) с целью получения комплекса механических свойств и характеристик (диаграммы деформирования при одноосном растяжении, условного предела текучести, предела прочности) и теплофизических свойств (теплового расширения, удельной теплоемкости, относительного электросопротивления, энтальпии, теплопроводности, температуропроводности) при скорости деформирования ~ 10 с и импульсном нагреве (со скоростью ~ 100-1000 град/с) до температуры ~ 800°С в вакууме.
Известны дилатометры для исследования кинетики фазовых превращений в сталях и сплавах при быстром нагреве, например емкостной дилатометр, где образец нагревается проходящим через него электрическимтоком [С.И.Новикова. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука, 1974, с.79-80].
Недостатком этих устройств является невозможность определения комплекса теплофизических свойств различных ТМ, имеется возможность определения только теплового расширения, а также отсутствие рабочей камеры для испытаний образцов высокой токсичности, пирофорности, химической и радиационной активности.
Известна установка для механических испытаний материалов в различных средах при высоких температурах и давлениях (патент RU 2240531 с приоритетом от 26.02.03, опубл. 20.11.2004, G01N 3/18), которая содержит рабочую камеру с захватами для образца, механизм нагружения, нагреватель, средства подачи газовой среды и контрольно-измерительную аппаратуру, при этом стенки и фланцы рабочей камеры снабжены рубашкой охлаждения, штанги захватов образца и тоководы нагревателя имеют протоки охлаждения, с внутренней стороны рубашки охлаждения расположена теплоизолирующая конструкция, кроме того, на входе в рабочую камеру газовой среды дополнительно введены подпитывающий расширительный бачок с поршнем и регулятором подачи управляющего газа, а нагреватель выполнен в форме спирали и расположен в рабочей камере таким образом, что образец находится внутри спирали.
Недостатком известной установки является невозможность импульсного нагрева при механических испытаниях образцов ТМ, а также отсутствие возможности определения в дополнение к механическим и теплофизическим свойствам образцов ТМ.
Установка для механических испытаний материалов в различных средах при высоких температурах и давлениях (патент RU 2240531) выбрана в качестве прототипа.
Задачей, стоящей перед авторами предлагаемого изобретения, является разработка установки для механических и теплофизических испытаний образцов ТМ при импульсном нагреве с возможностью измерения теплового расширения на рабочей части образца, при постоянном нарастании температуры, определения удельной теплоемкости, относительного электросопротивления, энтальпии, теплопроводности, температуропроводности и получения диаграммы деформирования при одноосном растяжении в одном опыте с защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых ТМ, которые могут быть экологически опасными.
Техническим результатом предлагаемого решения является возможность определения теплового расширения на рабочей части образца, удельной теплоемкости, относительного электросопротивления, энтальпии, теплопроводности, температуропроводности и получения диаграммы деформирования при одноосном растяжении и импульсном нагреве в одном опыте с обеспечением защиты персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых ТМ, которые могут быть экологически опасными.
Технический результат достигается тем, что в установке для механических и теплофизических испытаний образца из токопроводящего материала при импульсном нагреве, содержащей рабочую вакуумную камеру с токоподводами, цанговыми зажимами для крепления образца, регистрирующую аппаратуру, нагружающий элемент, динамометр, согласно изобретению регистрирующая аппаратура состоит из термопар, приваренных непосредственно на рабочей части образца, датчика перемещений индуктивного коаксиального, закрепленного на средней части образца, и динамометра, нагружающий элемент выполнен в виде тонкостенной трубы, в которой размещена тяга, жестко соединенная через цанговый зажим с образцом, другой конец образца также через цанговый зажим соединен с динамометром, установленным шарнирно на имеющейся раме, токоподводы установлены с возможностью нагрева образца и нагружающего элемента, регистрирующая аппаратура связана с контрольно-измерительной аппаратурой, которая, в свою очередь, связана с ПЭВМ.
Образец из ТМ может быть выполнен из экологически опасного материала.
Рама выполнена в виде двух стоек, жестко закрепленных на имеющейся площадке нагружающего элемента, с закрепленной на их верхней части поперечиной, в средней части которой шарнирно установлен динамометр.
Рабочая камера состоит из основания и колпака, в котором герметично установлены токоподводы для нагрева образца и нагружающего элемента, а также электрически изолированный герметичный разъем.
Один токоподвод связан с образцом, второй - с нагружающим элементом, а третий является общим для них обоих.
Возможность проведения испытаний образца из ТМ при повышенных температурах достигается применением герметичной вакуумной рабочей камеры, в которой образец из ТМ закрепляется в цанговых зажимах, и пропусканием через него электрического тока через токоподводы. Требуемая точность определения теплового расширения достигается за счет установки датчика перемещений индуктивного коаксиального непосредственно на рабочей части образца, измерение растягивающих усилий на образце осуществляется динамометром, установленным последовательно с образцом, регистрацией сигналов в цифровом виде с датчика перемещений индуктивного коаксиального, динамометра и термопар через контрольно-измерительную аппаратуру на ПЭВМ. Для обеспечения нагружения образца растягивающей силой нагружающий элемент в виде стальной тонкостенной трубы нагревается пропусканием через него импульса электрического тока через токоподводы, расширяется и передает усилие на образец через раму, которая выполнена в виде двух стоек, жестко закрепленных на имеющейся площадке нагружающего элемента, с закрепленной на их верхней части поперечиной, в средней части которой шарнирно установлен динамометр, через цанговый зажим соединенный с образцом, который, в свою очередь, также через цанговый зажим соединен с тягой, расположенной внутри тонкостенного нагружающего элемента. Обработка сигналов, поступающих с датчика перемещений индуктивного коаксиального, термопар и динамометра на ПЭВМ через контрольно-измерительную аппаратуру повышает достоверность определения характеристик испытуемых образцов.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность проведения механических и теплофизических испытаний образца ТМ при импульсном нагреве со скоростями ~ 100-1000 град/с.
На фиг.1 показан пример конкретного исполнения рабочей вакуумной камеры установки для механических и теплофизических испытаний образцов ТМ при импульсном нагреве, где:
1 - образец;
2 - цанговый зажим;
3 - основание;
4 - колпак;
5 - токоподводы для нагрева нагружающего элемента;
6 - токоподводы для нагрева образца;
7 - нагружающий элемент;
8 - стойка;
9 - поперечина;
10 - датчик перемещений индуктивный коаксиальный;
11 - динамометр;
12 - шарнир;
13 - герметичный разъем;
14 - термопары;
15 - тяга.
Рабочая вакуумная камера состоит из основания 3 и колпака 4. На основании 3 закреплены нагружающий элемент 7 и тяга 15. Образец 1 нижним концом зажат в цанговом зажиме 2, жестко соединенным с тягой 15. Верхний конец образца 1 закреплен в цанговом зажиме 2, который присоединен к динамометру 11, который в свою очередь связан с поперечиной 9 через шарнир 12. Силовая цепь установки замкнута через стойки 8, жестко связанные с поперечиной 9 и нагружающим элементом 7. К поверхности образца 1 привариваются термопары 14, в средней его части закрепляется датчик перемещений индуктивный коаксиальный 10. Для вывода сигналов с термопар 14, датчика перемещений индуктивного коаксиального 10 и динамометра 11 в колпаке 4 установлен электрически изолированный герметичный разъем 13. Через токоподводы 6 производится подача электрического тока от батареи аккумуляторов (не показана) для разогрева образца 1. При нагревании образца 1 до заданной температуры регистрируется его тепловое расширение посредством датчика перемещений индуктивного коаксиального 10, а с помощью термопар 14 определяется термоэдс и разность потенциалов на рабочей части образца 1, что позволяет определить удельную теплоемкость, относительное электросопротивление, энтальпию, теплопроводность и температуропроводность образца 1. После нагрева образца 1 через токоподводы 5 производится подача электрического тока от батареи аккумуляторов (не показана) для разогрева нагружающего элемента 7, который выполнен в виде тонкостенной стальной трубы. При нагревании нагружающий элемент 7 расширяется в вертикальном направлении и перемещает стойки 8 с поперечиной 9, жестко связанной с верхним концом образца 1, тем самым передает на образец 1 растягивающее усилие. При этом динамометр 11 через шарнир 12, соединенный с поперечиной 9, регистрирует величину растягивающего усилия, приложенного к образцу 1, а датчик перемещений индуктивный коаксиальный 10 возникающую при этом деформацию образца 1, что позволяет получить диаграмму деформирования образца 1 при известном его сечении. Подача электрических импульсов происходит автоматически с помощью коммутирующего устройства (не показано). Скорость нагрева образца может изменяться от 100 до 1000 град/с.
Для определения комплекса теплофизических свойств образца 1 необходимо провести его предварительный и нескольких основных нагревов последующими охлаждениями. Предварительный нагрев используется для определения теплофизических свойств исследуемого материала при нормальной температуре. Приращение температуры при этом не превышает 25°С во избежание заметного изменения определяемых свойств. Последующие основные нагревы образца 1 производятся до требуемой температуры испытаний, при этом теплофизические свойства определяются как функции температуры и скорости нагрева. Экспериментальная информация, необходимая для определения теплофизических свойств, регистрируется как при нагреве, так и при охлаждении образца 1. При нагреве производится запись в виде функций от времени следующих параметров: сигналов датчика перемещений индуктивного коаксиального 10, измеряющего тепловое расширение; разности потенциалов на рабочей части образца 1; тока, протекающего через образец 1; термоэдс термопар 14. При охлаждении определяется распределение температуры вдоль оси образца 1.
Тепловое расширение измеряется датчиком перемещений индуктивным коаксиальным 10. Для определения разности потенциалов на базовой длине образца 1 используются крепежные иглы датчика перемещений индуктивного коаксиального 10. Протекающий через образец 1 ток определяется через измерение падения напряжения на резисторе последовательно с образцом 1, включенным в силовую электрическую цепь (не показан). Распределение температуры по длине образца 1 при его охлаждении измеряется четырьмя термопарами 14 с диаметром электродов 50 мкм. Одна из этих термопар 14 служит для измерения температуры образца 1 при его нагреве. Термопары 14 привариваются к поверхности образца 1 точечной электрической сваркой раздельным способом на определенном расстоянии друг от друга. Разметка образца 1 по шаблону и приварка термопар 14 производятся под увеличением с использованием микроскопа.
Методика расчета теплофизических характеристик
а) Удельная теплоемкость и энтальпия
Удельная теплоемкость при нормальной температуре определяется по формуле
<mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>p</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
p0
0
0
0
где Q - количество тепла, полученное рабочей частью образца 3, Δt - приращение температуры, m - масса рабочей части образца 3. Для расчета c используются экспериментальные результаты предварительного нагрева образца 3, в котором как функции времени регистрируются термоэдс термопар 5, ток I(τ), протекающий через образец 3, и падение напряжения U(τ) на базе L датчика перемещений индуктивного коаксиального 6. Тогда
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>τ</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
n
n
где τ - время предварительного нагрева. Приращение температуры Δt определяется по термоэдс термопар 5 в момент времени τ. С учетом (1) и (2) получим выражение для расчета удельной теплоемкости, которую, с учетом малой величины Δt, в предварительного нагреве можно считать постоянной
<mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>p</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Масса рабочей части m определяется расчетным путем, исходя из известной массы всего образца 3, его диаметра и предположения о равномерном распределении массы по длине образца 3.
При последующих основных нагревах образца 3 удельная теплоемкость при произвольной температуре испытаний t определяется зависимостью
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
или
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
p
p
p
p0
где I(t), U(t), t - мгновенные значения тока, напряжения, температуры, регистрируемые при последующих основных нагревах образца 3. Основную погрешность при определении c(t) вносит абсолютное значение скорости нарастания температуры. В наибольшей степени эта погрешность проявляется при температурах, близких к нормальной. Исключение из расчетов абсолютного значения скорости V=dt/dτ существенно повышает точность определения c(t). Это достигается при расчете температурной зависимости относительного изменения c(t)/c
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><msub><mrow /><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
p
p0
p0
p
Произведение отношения c(t)/c, рассчитанного по результатам последующих основных нагревах, на значение c, полученное для этого же образца в предварительном нагреве, дает удельную теплоемкость c(t), как функцию температуры.
Изложенную методику определения температурного изменения удельной теплоемкости целесообразно применять в случае, если имеются нарушения монотонности зависимостей температуры от времени и энтальпии от температуры, т.е. если в исследуемом температурном интервале в материале образца 3 происходят процессы, характеризующиеся некоторым тепловым эффектом (например, фазовые превращения и др.) При монотонном характере указанных зависимостей на основании экспериментальных данных находится энтальпия, которая как функция температуры определяется из выражения
<mrow><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>m</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></munderover><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
p
После этого удельная теплоемкость определяется как производная от энтальпии по температуре c(t)=dH(t)/dt.
б) Тепловое расширение
Для определения характеристик теплового расширения используются зависимости температуры и расширения от времени, полученные в последующих основных нагревах. Абсолютное тепловое расширение рабочей части образца 3 определяется как удлинение, регистрируемое датчиком перемещений индуктивным коаксиальным 6. Для одних и тех же моментов времени определяется температура образца 3 и удлинение его рабочей части, по которым строится дилатометрическая кривая.
в) Относительное электросопротивление
0
При определении относительного электросопротивления используются осциллограммы последующих основных нагревов: падение напряжения U(τ), ток I(τ), температура t(τ). Относительное электросопротивление определяется без учета изменения геометрических размеров при нагреве образца 3, что дает дополнительную погрешность ~ 1%. При таком допущении относительное электросопротивление представляет собой отношение сопротивления R(t) рабочей части образца 3 при температуре t к его значению при начальной температуре испытаний R(t), т.е.
<mrow><mfrac><mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><malignmark /><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, определяя из осциллограмм последующих основных нагревов для одного и того же момента времени напряжение и ток, по соотношению (8) рассчитывается относительное электросопротивление (температурное изменение электросопротивления) при конкретной температуре, а в конечном счете - зависимость относительного электросопротивления от температуры в исследованном диапазоне.
Колпак 4 и основание 3 образуют герметичную полость для создания вакуума, предотвращающего конвективный теплообмен с окружающей средой, а также коррозию образцов ТМ при испытании их с повышенной температурой.
Благодаря заявляемой совокупности признаков решения появляется возможность теплофизических и механических испытаний на растяжение образцов ТМ с получением комплекса механических и теплофизических свойств при импульсном нагреве (со скоростью ~ 100-1000 град/с) до температуры ~ 800°С в вакууме с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых ТМ.
Изготовлен опытный образец установки, испытан, результаты подтвердили работоспособность установки и получение нового технического результата.