УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ МАТЕРИАЛА ОБРАЗЦА
APPARATUS FOR DETERMINING THERMAL EXPANDION OF SAMPLE MATERIAL

Изобретение относится к области теплофизических измерений, в частности к определению коэффициента термического расширения твердых тел.
Известны устройства для определения коэффициента температурного расширения материалов в виде дилатометров. Основным элементом дилатометров является дилатометрическая ячейка, обычно состоящая из кварцевой трубки, в которой размещается имеющий стержневую форму образец, и кварцевого толкателя. Исходя из малого температурного расширения кварца, линейное перемещение толкателя относительно трубки при нагреве дилатометрической ячейки и находящегося внутри нее образца определяется в основном тепловым расширением последнего. Величина теплового расширения незначительна, для его исследования требуется высокая точность измерений. Одним из условий точности дилатометрических исследований является выбор оптимального измерительного усилия, с которым толкатель воздействует на образец. Измерительное усилие должно гарантировать выборку зазоров в продольной размерной цепи, но при этом исключать деформацию образца, искажающую результаты измерений температурного расширения. Особенно важно ограничение измерительного усилия при температурах, близких к температуре плавления материала, когда жесткость и прочность исследуемого материала становятся крайне низкими.
Известны технические решения, в которых необходимое измерительное усилие создается собственным весом толкателя [Соркин Е.С. Конструктивные особенности некоторых зарубежных и отечественных кварцевых дилатометров. В сб.: «Методы измерения теплового расширения стекол и сплавляемых с ними металлов». М.: «Наука», 1967, с.22, рис.1]. В некоторых случаях, особенно при нагреве материалов до высоких температур, во избежание их механической деформации вес толкателя приходится частично компенсировать с помощью специальных устройств [Кузнецов А.К. Приборы для высокотемпературной дилатометрии. В сб.: «Методы измерения теплового расширения стекол и сплавляемых с ними металлов». М.: «Наука», 1967, с.164, рис.3]. При горизонтальном исполнении дилатометра, когда вес толкателя на образец не передается, известны также технические решения, в которых для создания измерительного усилия используются сами измерительные устройства, например, индикаторные головки. Даже незначительное усилие индикаторных головок в таких устройствах приходится компенсировать с помощью дополнительных пружинных устройств [Шелюбский В.И. Исследование термического расширения в стеклообразных системах методом образцов переменного состава. В сб.: «Методы измерения теплового расширения стекол и сплавляемых с ними металлов». М.: «Наука», 1967, с.127, рис.2]. Для строгого ограничения измерительного усилия применяют специальные пружинные устройства [Соркин Е.С. Конструктивные особенности некоторых зарубежных и отечественных кварцевых дилатометров. В сб.: «Методы измерения теплового расширения стекол и сплавляемых с ними металлов». М.: «Наука», 1967, с.23, рис.2].
Существенным недостатком всех рассмотренных устройств является наличие внешнего трения в местах опоры перемещающегося толкателя. Внешнее трение, несмотря на конструкционные меры по стабилизации измерительного усилия, приводит к его существенным вариациям. В периоды расширения образца сила трения суммируется с усилием прижимного устройства, а при сжатии образца вычитается из него, поэтому измерительное усилие может иметь переменную величину и влиять на точность результатов. Особенно негативно влияет различие коэффициентов трения покоя и трения движения. Из-за этого при исследовании теплового расширения размягченных материалов монотонное расширение образца нередко сопровождается циклическим движением толкателя, когда периоды покоя толкателя чередуются с его скачкообразными перемещениями на небольшую величину. В результате, несмотря на монотонное расширение образца, регистрируется ступенчатая зависимость коэффициента температурного расширения. Такие процессы резко снижают точность определения коэффициента теплового расширения и затрудняют выявление критических температур, реально связанных со ступенчатым изменением теплового расширения при фазовых переходах в материале.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является конструкция горизонтального дилатометра без внешнего трения [Соркин Е.С. Конструктивные особенности некоторых зарубежных и отечественных кварцевых дилатометров. В сб.: «Методы измерения теплового расширения стекол и сплавляемых с ними металлов». М.: «Наука», 1967, с.22-30, рис.5], в котором для устранения сил внешнего трения толкатель подвешен на двух мембранных плоских пружинах. Пружины центрируют толкатель, оставляя ему только одну степень свободы - возможность осевого перемещения, исключая контакт толкателя с иными частями конструкции за исключением торца, что исключает и возможность возникновения сил внешнего трения.
Основным недостатком данной конструкции является необходимость тщательного центрирования основных деталей дилатометрической ячейки-трубки и толкателя, что, вследствие необходимости сборки-разборки системы при каждом повторении опыта, является достаточно сложной задачей. Недостаточно качественное центрирование, т.е. радиальное смещение толкателя относительно трубки, приводит к контакту их боковых поверхностей, возникновению статической неопределенности системы и появлению столь же неопределенных сил нормальной реакции. Естественным следствием такой ситуации является неподдающийся учету рост сил трения при продольном перемещении толкателя и существенное искажение результатов дилатометрического эксперимента. Учитывая, что детали дилатометрической ячейки обычно изготавливаются из кварца методом литья и не имеют высокой точности, предотвратить такой контакт деталей можно либо их прецизионной механической обработкой, что приводит к значительному удорожанию устройства, либо увеличением боковых зазоров между толкателем и трубкой, что неприемлемо при испытаниях образцов с малыми размерами поперечного сечения.
Горизонтальный дилатометр без внешнего трения с подвеской толкателя при помощи мембранных пружин выбран в качестве прототипа.
Задачей изобретения является разработка устройства для определения коэффициента температурного расширения материалов в виде дилатометра, позволяющего без жестких требований к точности центрирования толкателя относительно трубки исключить трение между толкателем и трубкой и обеспечить строго регламентированную величину измерительного усилия, с которым толкатель воздействует на исследуемый образец.
Техническим результатом данного технического решения является высокая точность испытаний за счет полного исключения сил трения между толкателем и трубкой независимо от величины радиального смещения толкателя относительно трубки дилатометрической ячейки, упрощение и удешевление конструкции дилатометра за счет многократного снижения требований к точности изготовления деталей дилатометрической ячейки, снижение трудоемкости подготовки прибора к испытаниям вследствие снижения требований к точности сборки дилатометрической ячейки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения температурного расширения материала образца, содержащем трубку из материала с низким коэффициентом термического расширения и коаксиальный ей толкатель из такого же материала с датчиком осевого перемещения, контактирующий с торцом размещенного в трубке образца стержневой формы, толкатель шарнирно подвешен в одной точке при помощи мембранной пружины, обеспечивающей толкателю три степени свободы, включая продольное осевое перемещение и поворот вокруг двух других координатных осей, а также снабжен грузом, имеющим возможность осевого перемещения.
Согласно изобретению наличие шарнирной подвески дает толкателю возможность поворота относительно точки подвески в любом направлении. Возможность относительного поворота толкателя используется для компенсации его несоосности с трубкой, неизбежной из-за наличия погрешностей изготовления деталей устройства и его сборки. Необходимый для поворота толкателя зазор между внешним диаметром толкателя и трубкой в предлагаемом устройстве многократно снижается по сравнению с аналогичным зазором в устройстве-прототипе, имеющем только одну степень свободы толкателя.
На фиг.1 показан пример конкретного исполнения устройства для определения коэффициента температурного расширения материалов, на фиг.2 показана схема компенсации толкателя относительно трубки за счет двух поперечных степеней свободы, где
1 - образец;
2 - трубка;
3 - толкатель;
4 - мембранная пружина;
5 - уравновешивающий груз;
6 - центр тяжести толкателя в сборе;
7 - датчик осевого перемещения.
Устройство работает следующим образом. Образец 1 (фиг.1) размещается внутри трубки 2 из материала с низким коэффициентом термического расширения (обычно из кварцевого стекла) между опорной поверхностью трубки и торцом изготовленного из такого же материала толкателя 3, подвешенного в одной точке с помощью мембранной пружины 4. Путем перемещения уравновешивающего груза 5 относительно продольной оси толкателя обеспечивается совмещение цента тяжести 6 толкателя с точкой подвески его к мембранной пружине, вследствие чего вся сила тяжести толкателя воспринимается мембранной пружиной, жесткость которой в поперечном направлении для этого достаточна. В результате совмещения центра тяжести толкателя с точкой его подвески поперечные силы реакции между трубкой и толкателем в точке их возможного контакта практически равны нулю. Нагрев (или охлаждение) образца при проведении дилатометрического опыта и его температурной деформации, сопровождающейся соответствующим продольным перемещением толкателя, которое регистрируется при помощи датчика осевого перемещения 7. Продольное перемещение толкателя вследствие заведомого отсутствия сил реакции между толкателем и трубкой обусловливает и отсутствие внешних сил трения между этими деталями, способных повлиять на величину измерительного усилия. Необходимое значение измерительного усилия между толкателем и образцом в пределах от нулевого при горизонтальном положении прибора до максимального, равного силе тяжести толкателя в сборе, легко регламентируется регулировкой угла наклона прибора в пределах между его горизонтальным и вертикальным положениями. Особенностью мембранной пружины является весьма незначительная жесткость в направлении продольной оси толкателя, поэтому значимое влияние упругой реакции мембранной пружины на измерительное усилие практически отсутствует даже при существенном осевом перемещении толкателя. По этой же причине значимых сил реакции в системе не возникает и при повороте толкателя на некоторый угол для компенсации несоосности ε (фиг.2) между толкателем и трубкой, возникающей вследствие погрешностей изготовления деталей дилатометра и многократной разборки-сборки измерительной дилатометрической ячейки при проведении опытов.
С использованием предложенной совокупности признаков разработано реальное устройство, которое прошло тестовые испытания на образцах с заведомо известными закономерностями теплового расширения, включая скачкообразные изменения при высоких температурах, близких к температурам плавления, и показало высокую чувствительность и точность прибора во всех температурных диапазонах вплоть до температуры плавления.