Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

увеличение инерционности показаний термопары. Нарушения иден­ тичности приварки термопары приводят к случайным ошибкам в ее показаниях, в значительной мере именно в результате прояв­ ления теплофизических особенностей сверхбыстрой регистрации температур методом термо-э. д. с.

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Важное место в комплексе методик, применяемых для изучения фа­ зовых и структурных превращений при скоростном нагреве, зани­ мает дилатометрический анализ. Этот метод достаточно полно опи­ сан в специальной литературе [9, 3]. Применение высоких скорос­ тей нагрева накладывает, однако, известные ограничения на выбор конструкции дилатометров и, следовательно, на получаемую инфор­ мацию. Поскольку образцы чаще всего нагреваются непосредствен­ ным пропусканием электрического тока, форма их должна быть та­ кой, чтобы соблюдалось постоянное сечение по всей его длине. Скоростные дилатометры должны быть просты по конструкции и удобны для комбинирования этого метода с другими методами ис­ следования быстропротекающих процессов. Хорошо зарекомендо­ вал себя рычажно-оптический дилатометр, конструкция которого предложена Ю. А. Кочержинским [I] й усовершенствована В. Т. Черепиным [10]. Основное преимущество его состоит в простоте кон­

изменение длины образца, вызываемое амплитудным изменением нагревающего тока промышленной частоты (50 гц). Рычажно-оп­ тический дилатометр позволяет комбинировать дилатометрический анализ с другими методами, например с термическим и магнито­ метрическим анализами. Как показывает опыт исследования превра­ щений на таком дилатометре при быстром нагреве, выбор рода тока для электронагрева играет большую роль. Так, при скоростях на­ грева до 1000 град/сек вполне приемлемые результаты получаются при использовании тока промышленной частоты (50 гц), а для полу­ чения качественных дилатограмм при так называемых сверхбыстрых нагревах (от 1000 до 30 000 град/сек), чтобы избежать периодиче­ ской модуляции, требуется ток повышенной частоты (1000—2500 гц) или постоянный. Следует учитывать, что при использовании тока более высоких частот образец прогревается неравномерно по сече­ нию, что приводит к появлению термоупругих напряжений, затруд­ няющих расшифровку дилатограмм.

Конструкция описанного дилатометра позволяет проводить из­ мерения при нагреве образцов диаметром от 0,5 до 4 мм и длиной от 20 до 700 мм, которая может изменяться при перемещении токоподвода по неподвижному концу образца. Увеличение дилатометра можно варьировать, перемещая точку упора толкателя на флажок.

При нагреве образцов непосредственным пропусканием электриче­ ского тока вследствие отвода тепла к зажимам температура на кон­ цах образца распределяется неравномерно. В этом случае приходит­ ся учитывать не начальную длину образца, а некоторую эффектив­ ную для данной скорости нагрева длину / э ф , меньшую исходной /0 . Увеличение скорости нагрева, а значит и количества тепловой энер­ гии, генерируемой проходящим током в виде джоулева тепла, при­ ближает условия нагрева образца к адиабатическим, поскольку как контактные, так и неконтактные (конвективные и лучистые) теплопотери уменьшаются. Это приводит к увеличению эффективной длины образца. Экспериментальная проверка распределения темпе­ ратуры по длине образца в зависимости от скорости нагрева выпол­ нена в работе [11]. Показано, что увеличить эффективную длину образца при постоянной скорости нагрева можно при помощи увели­ чения отношения длины образца к его сечению, а также исполь­ зования для зажимов материала с малым значением коэффициента теплопроводности, уменьшая при этом их размеры и повышая их температуру.

В неизотермическом участке длиной / перепад температур можно записать в виде Т (t) —Т0, где Т (t) и Т0 —температура соответ­ ственно изотермического участка образца и зажимов. Учитывая адиабатичность нагрева, примем Т0 = const = 20° С. Для удобства расчета предположим, что распределение температуры по неизо­ термическому участку образца подчиняется линейному закону. Тогда скорость нагрева образца

а скорость нагрева неизотермического участка пропорциональна kvH, т. е. скорость нагрева середины неизотермического участка рав­ на -у , следовательно,

dt 2 dt 2 '

Положим, далее, ^ = . Тогда уравнение теплового ба­ ланса для случая теплоотвода через торцы образца можно записать

Учитывая, что для участка длиной L — 21 с изотермическим тем­ пературным профилем справедливо равенство

нагрева и перепада температур между зажимом и образцом. Факти­ чески

Знание зависимости распределения температуры по длине образца от времени нагрева и теплофизических свойств образца позволяет повысить точность количественных измерений дилатометрических эффектов, относя их к значению эффективной длины образца. Полу­ ченное по данным В. Т. Черепина фактическое значение неизотермичности по длине образца превышает теоретически рассчитанное потому, что площадь теплоотвода от образца к зажимам больше значения 5 (сечение образца), принятого в оценочном расчете (теплоотвод в данном случае [11] осуществляется с боковой поверх­ ности). Экспериментальные результаты по определению эффективной длины показали, что она практически не изменяется при скоростях нагрева более 1000 град/сек. Ошибку в оценке истинного дилатомет­ рического эффекта можно уменьшить, увеличив длину образца / или уменьшив теплоотвод с концов его (при помощи, например, уменьшения сечения образца, а также использования для токоподводов материалов с небольшими коэффициентами температуропро­ водности и высокой теплоемкостью).

Определение эффективной длины образца, который подверга­ ется охлаждению, — более сложная задача. Однако решить ее мож­ но, например, при сравнении прямого и обратного а <> у превра­ щений. При больших скоростях охлаждения (закалка водой) и на­ грева величины эффективной длины почти совпадают, и этот случай не требует особого обсуждения. При более медленном охлаждении

образца, по сравнению с нагревом, температурный фронт фазового превращения перемещается не от центра образца к его краю, как при нагреве, а, наоборот, от края к центру. Исходной в этом случае является не начальная длина образца /0 , а эффективная длина его

мое на осциллограмме охлаждения уменьшение дилатометрическо­ го эффекта только кажущееся, кажущимся также является увеличе­ ние длительности процесса превращения вследствие перемещения фронта от края образца к центру при экзотермичности реакции 7 -> а.

Разработанные в Институте металлофизики АН УССР конструк­ ции крепления образцов позволяют заменять рычажно-оптическую систему регистрации удлинений электрическими датчиками переме­ щений, например тензодатчиками или механотронами. Хорошо за­ рекомендовал себя емкостный датчик с простой и удобной в работе и настройке схемой. В емкостном датчике, представляющем собой систему подвижных и неподвижных пластин, изменение емкости зависит от изменения длины исследуемого образца. Пластины датчи­ ка включены в резонансные колебательные контуры. При изменении емкостей резонанс нарушается, вследствие чего изменяются соб­ ственные частоты контуров и анодных токов лампы. Линейность характеристики дилатометра зависит от выбора зазора между

ИЗМЕРЕНИЕ

ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

Наиболее удобным методом измерения и записи на осциллограмме удельного электросопротивления образца в процессе нагрева яв­ ляется метод амперметра—вольтметра. Сила нагревающего тока измеряется при помощи шунта, включенного в цепь нагрева образ­ ца последовательно, а падение напряжения на образце или на его мерной части снимается при помощи медных проводников, прива­ риваемых к поверхности точечной сваркой или электроискровым карандашом, и через выпрямитель регистрируется шлейфом. Мед­ ные проводники одновременно выполняют роль плавких предохра­ нителей в цепи регистрирующего шлейфа. Однако более надежной защитой шлейфа являются электронные системы. При перегорании образца на шлейф поступает напряжение холостого хода трансфор­ матора, намного превышающее те 1 —2 в, которые подаются на него