Name: using dilatometry to measure heating effects
Uploaded: 2023-04-30T07:07:02.000Z
Duration: 9 min 42 s
Channel: JoVE

<ol>
	<li>بدء تشغيل الجهاز وإعداده. ابدأ بتشغيل الكمبيوتر ، وموازنة درجة حرارة العينة للتأكد من أنها في درجة حرارة الغرفة (حوالي 20 درجة مئوية) ، وتشغيل مقياس التوسع. تأكد من تشغيل نظام التبريد وأن غاز النيتروجين يتدفق مع جميع الأنظمة الضرورية الأخرى. يجب تشغيل غاز النيتروجين بين وقت تشغيل الفرن وعند إدخال العينة للاختبار. سيكون ضغط الغاز خاصا بمقياس التمدد ، بالنسبة لنا هو 10 رطل لكل بوصة مربعة.</li>
	<li>تحديد التجربة التي سيتم إجراؤها: المعايرة أو التمدد. بالنسبة لأي مجموعة من اختبارات التمدد ، يجب إجراء اختبار المعايرة قبل الرجوع إليه. عند إجراء اختبار التمدد ، حدد أحدث معايرة تلبي أو تتجاوز نطاق درجة الحرارة الأقصى ويفضل تشغيلها بنفس معدل منحدر درجة الحرارة. عند إجراء معايرة للتجارب اللاحقة ، استخدم معيارا معروفا. سنستخدم قياس معايرة تم تشغيله مسبقا لمعيار Crystallox المعروف. (سواء تم إجراء اختبار معايرة أو تمدد ، فإن عملية تحضير العينة وإعداد الماكينة وإنشاء المعلمات ستكون هي نفسها.)</li>
	<li>تحضير العينة. بالنسبة لتجربتنا ، سنقوم باختبار مادة معدنية. قم بقياس طول العينة بدقة باستخدام الفرجار عالي الجودة قبل إدخال العينة في الفرن. قم بإجراء العديد من القياسات على طول الطول لتحديد خطأ القياس. يجب أن تكون العينة طويلة بما يكفي للسماح لقضيب الدفع بممارسة بعض القوة على الجزء العلوي من العينة. إذا لم تكن العينة طويلة بما فيه الكفاية ، فاستخدم فواصل لمادة معروفة (قم بقياس ارتفاعها بحيث يمكن طرح التمدد من النتائج). يجب أن تكون نهايات العينة متوازية في حدود 1 درجة.</li>
	<li>أدخل عينة. قم بتنظيف السطح السفلي للفرن للتأكد من أن العينة بها مكان مسطح للوقوف. اخفض قضيب الدفع حتى يلامس الجزء العلوي من العينة. اخفض الأنبوب مرة أخرى في الفرن وتأكد من أن العينة لم تتحول أثناء الخفض عن طريق فحص مقياس الإزاحة.</li>
	<li>إنشاء المعلمات. اتبع معايير ASTM E 228 لنوع المادة. تشمل المعلمات المهمة درجة الحرارة القصوى ، ومعدل منحدر التسخين ، ووقت السكون ، ومعدل منحدر التبريد ، وعدد التكرارات ، ووقت المكوث بين التكرارات. يجب أن تتطابق المعلمات الخاصة بك مع المعايرة التي تستخدمها قدر الإمكان. اسمح لدرجة حرارة العينة بالوصول إلى التوازن داخل بيئة أنبوب التحميل ، في درجة حرارة الغرفة. يتم أخذ العينة المعدنية من درجة حرارة 20 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية. لن نقوم بأي تكرارات في هذا الاختبار. أقصى درجة حرارة للفرن لهذا الجهاز هي 1200 درجة مئوية.</li>
	<li>تحقق من الإعداد. قبل بدء الاختبار والابتعاد ، تحقق جيدا من أن جميع الأنظمة تعمل وتعمل ، وخاصة الفرن. تستخدم العديد من مقاييس التمدد تدفقا لغاز النيتروجين للحفاظ على جو الاختبار خاملا وثابتا ، والتحقق من تدفق غاز تطهير النيتروجين.</li>
	<li>بدء الاختبار. بدء الاختبار وستكون البيانات في الوقت الفعلي متاحة للمراقبة. إذا لزم الأمر ، يمكن إلغاء الاختبار.</li>
	<li>حفظ البيانات. تصدير البيانات وحفظها بالتنسيق الذي يرغب فيه المستخدم ، وسيختلف هذا اعتمادا على كيفية تحليل البيانات وتقديمها. عادة ، يجب تشغيل كل عينة ثلاث مرات ، مع تجاهل المجموعة الأولى من البيانات بسبب التمدد والانكماش الأكثر أهمية بسبب التلدين الحراري للعينة.</li>
	<li>اغلاق. تحقق من إيقاف تشغيل جميع الأنظمة بما في ذلك الفرن ونظام التبريد وغاز التطهير. قم بإزالة العينات من الفرن بعد التأكد من تبريد الفرن إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. تنظيف مساحة العمل.</li>
	<li>تحليل البيانات. قم باستيراد البيانات وإنشاء الرسوم البيانية والمرئيات لتمثيل بياناتك بشكل فعال.</li>
</ol>
<div class = "chapter_text" id = "script_0" >
يعد التمدد الحراري للمادة أمرا مهما للغاية عند التفكير في استخدامها في نظام به درجة حرارة متقلبة. قياس التمدد هو تقنية تستخدم لقياس المساحة أو الشكل أو الطول أو التغيرات في حجم المادة لأنها تعاني من تقلبات في درجة الحرارة. وبالتالي تمكين حساب التمدد الحراري. في هذا الفيديو سوف نقدم مقياس التوسع، ونوضح كيفية قياس التمدد الحراري لعينة معدنية في المختبر.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
يتم إجراء قياس التمدد أولا عن طريق قياس الطول الأولي للعينة باستخدام الفرجار. ثم توضع العينة في فرن ، وفي حالة هذه التجربة ، يتم توصيلها بقضيب دفع عمودي. يتدفق غاز التطهير عبر الفرن لتوفير ظروف متسقة ومنع أكسدة العينة أثناء التسخين. ثم يتم تسخين العينة إلى درجة حرارة محددة مسبقا بمعدل محدد. يتم نقل التمدد الحراري للعينة إلى قضيب الدفع ، والذي يتم نقله بعد ذلك إلى مستشعر الإزاحة. تتمدد معظم المواد مع زيادة درجة الحرارة ثم تنقبض عند التبريد. نظرا لأن القضيب يتعرض أيضا لدرجة حرارة عالية في الفرن ، فإنه يتعرض أيضا للتمدد والانكماش الحراري. وبالتالي يجب تصحيح القياس لمراعاة ذلك.
يتم حساب التمدد الحراري الذي تشهده العينة بقسمة التغير في الطول على الطول الأولي للعينة. ينتج عن هذا متوسط التمدد الحراري الخطي للمادة. يمكننا حساب معامل التمدد الحراري الخطي ، αL ، بقسمة متوسط التمدد الخطي على التغير في درجة الحرارة التي تم اختبارها. معامل التمدد الحجمي ، αV ، هو 3 أضعاف معامل التمدد الخطي للمواد المتناحية. قد تظهر بعض المواد متباينة الخواص ، أي المواد التي تعتمد خصائصها على الاتجاه ، معاملات تمدد خطية مختلفة في اتجاهات مختلفة. الآن بعد أن تعلمت أساسيات التمدد الحراري باستخدام مقياس التوسع، دعنا نلقي نظرة على هذه التقنية في المختبر.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
للبدء ، قم بتشغيل نظام تشغيل مقياس التمدد واسمح للعينة بالجلوس في درجة حرارة الغرفة للتوازن. تأكد من تشغيل نظام التبريد للجهاز ، وأن غاز النيتروجين متصل بالفرن. لا تقم بتشغيل تدفق الغاز بعد ، سيتم تشغيل الغاز عند تشغيل الفرن. تحقق الآن من إجراء تشغيل المعايرة على النظام قبل اختبار العينة الخاصة بك وحدد أحدث معايرة تلبي أو تتجاوز نطاق درجة الحرارة الأقصى ويفضل تشغيلها بنفس معدل منحدر درجة الحرارة. هنا سوف نستخدم تشغيل معايرة تم إجراؤه مسبقا للأقفال الكريستالية القياسية. بعد ذلك ، قم بقياس طول العينة بدقة باستخدام عيارات عالية الجودة.
قم بإجراء عدة قياسات على طول الطول لتحديد خطأ القياس. تأكد من أن العينة طويلة بما يكفي للسماح لقضيب الدفع بممارسة بعض القوة فوق العينة. إذا لم يكن طويلا بدرجة كافية ، فاستخدم فاصلا لمادة ذات تمدد حراري معروف وقم بقياس ارتفاعها بحيث يمكن طرح الفاصل من النتائج. إذا تم استخدام فاصل ، فيجب أن يكون موازيا للعينة داخل 1 درجة. ثم قم بتشغيل النظام وتأكد من أن الفرن قريب من درجة حرارة الغرفة. الآن ارفع غرفة الأنبوب من الفرن عن طريق سحب المقبض الموجود على الجانب لتحرير الأنبوب. ارفع الأنبوب ونظف السطح السفلي للغرفة باستخدام الأيزوبروبانول ومسح للتأكد من أن العينة بها مكان مسطح للوقوف. بعد ذلك ، ضع العينة في الفرن مع الأسطح المسطحة باتجاه قاع الغرفة وقضيب الدفع وقم بخفض قضيب الدفع حتى يتصل بالجزء العلوي من العينة. قم بخفض حجرة الأنبوب التي تحتوي على العينة مرة أخرى في الفرن وتأكد من عدم تحول العينة عن طريق فحص مقياس الإزاحة. الآن ، أدخل معلمات التسخين في نظام تشغيل مقياس التوسع.
هنا سيتم تسخين العينة المعدنية 20 درجة -1000 درجة مئوية بمعدل ثابت 5 درجات / دقيقة. لتبريد الفرن ، فقط اترك درجة الحرارة تتوازن مع درجة حرارة الغرفة. قبل بدء الاختبار ، تحقق جيدا من أن جميع الأنظمة تعمل وتعمل. قم بتشغيل غاز تطهير النيتروجين وتأكد من تدفقه إلى النظام. ثم ابدأ الاختبار وتحقق مرة أخرى بشكل دوري للتأكد من أنه يعمل بشكل مناسب. عند اكتمال التشغيل وعودة النظام إلى درجة حرارة الغرفة ، قم بتصدير البيانات وحفظها. ثم كرر الفحص مرتين أخريين لحساب أي توسع مبالغ فيه في التشغيل الأول. بعد اكتمال جميع عمليات التشغيل وحفظ جميع البيانات ، تأكد من أن الفرن بارد. ثم ارفع الأنبوب من الفرن وأزل العينة. لرفع الأنبوب خارج الفرن ، اسحب المقبض الأسود الموجود على جانب الفرن لتحرير الأنبوب. أخيرا ، قم بإغلاق الفرن ونظام التبريد وتطهير الغاز.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
الآن دعونا نلقي نظرة على النتائج. يقوم البرنامج بإرجاع القيم ل: 1. الوقت ، 2. درجة حرارة العينة ، 3. قراءة المقياس ، 4. التوسع المصحح ، 5. الوقت بالثواني ، 6. قراءة المقياس بدون أبعاد ، 7. تصحيح النظام. أولا ، احسب التغيير في طول العينة لكل نقطة درجة حرارة باستخدام برنامج جداول بيانات ، ثم اقسم كل قيمة على الطول الأصلي للحصول على قيم ΔL / L. ثم ارسم ΔL / L مقابل درجة الحرارة. كما ترون من المؤامرة هنا ، تم تسخين 3 معادن إلى درجة حرارة محددة مسبقا ثم تم تبريدها مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة. على الرغم من تسخينه إلى درجة حرارة منخفضة ، إلا أن الألمنيوم أظهر تمددا حراريا أكثر أهمية من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ البارد.
في حالة الألمنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ ، يتبع كل من التمدد الحراري والانكماش منحدرا خطيا ؛ مما يعني أن التمدد الحراري كان خطيا. وكان معامل التمدد الخطي ثابتا. ومع ذلك ، فإن التمدد الحراري ليس دائما خطيا ، مما يعني أن التمدد الخطي ليس ثابتا دائما ، كما نرى بالنسبة للفولاذ البارد. أظهرت عينة الصلب البارد تغيرا غير خطي بين 700 درجة و 900 درجة ، والذي يمكن أن يعزى إلى عيوب في الهيكل الشبكي للمادة تسمى الاضطرابات.
</div>
<div class = "chapter_text" id = "script_4" >
من المهم فهم التمدد الحراري والانكماش للمواد لمجموعة واسعة من التطبيقات. على سبيل المثال ، من الضروري مراعاة التمدد الحراري للمواد عند تصميم الهياكل مثل السكك الحديدية والجسور. يعد التمدد الحراري لأقسام خطوط السكك الحديدية هو السبب الرئيسي لالتواء السكك الحديدية ، مما تسبب في ما يقرب من 200 خروج قطار عن مساره في الولايات المتحدة على مدى 10 سنوات فقط. يمكن أيضا استخدام قياس التمدد الحراري باستخدام قياس التمدد لفحص العيوب في البلورات. الاضطرابات هي عيوب في بنية شبكية للمواد ، ويمكن أن تتخذ العديد من الأشكال المختلفة مثل خلع النقطة حيث تكون ذرة واحدة مفقودة ، أو خلع الحافة حيث يتم إدخال نصف مستوى إضافي من الذرات في الشبكة. نظرا لأن الاضطرابات تشغل الحجم ، تتغير الكثافة استجابة للمعالجة الحرارية. وبالتالي ، فإن قياس التمدد عالي الدقة قد وسع التقنية لدراسة إعادة ترتيب الاضطرابات. ضروري لفهم القوة ومجالات الفشل المحتملة.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
لقد شاهدت للتو مقدمة Joves لتحليل التمدد الحراري عن طريق قياس التوسع. يجب أن تفهم الآن أساسيات التمدد الحراري ، وتقنية قياس التمدد ، وبعض المجالات التي يتم فيها تحليل التمدد الحراري في الهندسة الإنشائية والمواد. شكرا للمشاهدة.
</div>

قياس التوسع هو تقنية لقياس التمدد الحراري البعدي للمادة. في كثير من الأحيان يتم العثور على هذه القيمة عن طريق قياس التغير في الطول حيث يتم تسخين المادة وتبريدها. يتم قياس التمدد الحراري عن طريق التغيير في الطول مقسوما على الطول الأولي. بالإضافة إلى التمدد الحراري ، تقدم هذه التقنية رؤى حول تكوين الشواغر ، وتغيرات الطور ، وتطور الخلع استجابة للمعالجات الحرارية. 
في حين أن تحديد التمدد الحراري للمواد يعد استخداما شائعا جدا لمقاييس التمدد ، إلا أن هناك تطبيقات أخرى لها. على سبيل المثال ، يمكن أيض...

تحليل التمدد الحراري عن طريق قياس التمدد

المصدر: جيه جاكوب شافيز ، وريان تي ديفيس ، و <a href="https://www.jove.com/author/Taylor+D._Sparks"> تايلور دي سباركس </a> ، قسم علوم وهندسة المواد ، جامعة يوتا ، سولت ليك سيتي ، يوتا 
يعد التمدد الحراري مهما للغاية عند التفكير في المواد التي سيتم استخدامها في الأنظمة التي تعاني من تقلبات في درجة الحرارة. قد يكون التمدد الحراري المرتفع أو المنخفض في مادة ما مرغوبا فيه وقد لا يكون مرغوبا فيه ، اعتمادا على التطبيق. على سبيل المثال ، في مقياس حرارة سائل شائع ، ستكون المادة ذات التمدد الحراري العالي مرغوبة بسبب حساسيتها للتغيرات في درجات الحرارة. من ناحية أخرى ، سيحتاج أحد المكونات في النظام الذي يعاني من درجات حرارة عالية ، مثل عودة مكوك الفضاء إلى الغلاف الجوي ، إلى مادة لن تتمدد وتتقلص مع تقلبات درجات الحرارة الكبيرة من أجل منع الضغوط الحرارية والكسر. 
قياس التمدد هو تقنية تستخدم لقياس أبعاد المساحة أو الشكل أو الطول أو تغيرات الحجم للمادة كدالة لدرجة الحرارة. الاستخدام الرئيسي لمقياس التمدد هو حساب التمدد الحراري للمادة. تزداد أبعاد معظم المواد عند تسخينها عند ضغط ثابت. يتم الحصول على التمدد الحراري عن طريق تسجيل الانكماش أو التمدد استجابة للتغيرات في درجة الحرارة.

تتضمن نتائج مقاييس التمدد بشكل عام بيانات درجات الحرارة وأطوال التمدد والوقت. يمكن للبرامج المختلفة المستخدمة مع مقاييس التوسع إرجاع النتائج بطرق مختلفة. تقوم بعض البرامج بإرجاع نقاط البيانات فقط ، بينما يحتوي البعض الآخر على وظائف التخطيط وميزات التحليل الأخرى. استخدم البرنامج المستخدم في الإجراء أعلاه WorkHorseTM. يقوم هذا البرنامج بإرجاع البيانات في ملف .txt يمكن رسمه بعد ذلك باستخدام برنامج مثل Matlab أو Qtgrace أو Excel. يوضح الشكل 2 ثلاثة معادن مختلفة ...

Source: J. Jacob Chavez, Ryan T. Davis, and Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT
...

يعد التمدد الحراري للمادة أمرا مهما للغاية عند التفكير في استخدامها في نظام به درجة حرارة متقلبة. قياس التمدد هو تقنية تستخدم لقياس المساحة أو الشكل أو الطول أو التغيرات في حجم المادة لأنها تعاني من تقلبات في درجة الحرارة. وبالتالي تمكين حساب التمدد الحراري. في هذا الفيديو سوف نقدم مقياس التوسع، ونوضح كيفية قياس التمدد الحراري لعينة معدنية في المختبر. يتم إجراء قياس التمدد أولا عن طريق قياس الطول الأولي للعينة باستخدام الفرجار. ثم توضع العينة في فرن ، وفي حالة هذه التجربة ، يتم توصيلها بقضيب دفع عمودي. يتدفق غاز التطهير عبر الفرن لتوفير ظروف متسقة ومنع أكسدة العينة أثناء التسخين. ثم يتم تسخين العينة إلى درجة حرارة محددة مسبقا بمعدل محدد. يتم نقل التمدد الحراري للعينة إلى قضيب الدفع ، والذي يتم نقله بعد ذلك إلى مستشعر الإزاحة. تتمدد معظم المواد مع زيادة درجة الحرارة ثم تنقبض عند التبريد. نظرا لأن القضيب يتعرض أيضا لدرجة حرارة عالية في الفرن ، فإنه يتعرض أيضا للتمدد والانكماش الحراري. وبالتالي يجب تصحيح القياس لمراعاة ذلك. يتم حساب التمدد الحراري الذي تشهده العينة بقسمة التغير في الطول على الطول الأولي للعينة. ينتج عن هذا متوسط التمدد الحراري الخطي للمادة. يمكننا حساب معامل التمدد الحراري الخطي ،؟ L ، بقسمة متوسط التمدد الخطي على التغير في درجة الحرارة التي تم اختبارها. معامل التمدد الحجمي ،؟ V ، ثم 3 أضعاف معامل التمدد الخطي للمواد المتناحية. قد تظهر بعض المواد متباينة الخواص ، أي المواد التي تعتمد خصائصها على الاتجاه ، معاملات تمدد خطية مختلفة في اتجاهات مختلفة. الآن بعد أن تعلمت أساسيات التمدد الحراري باستخدام مقياس التوسع، دعنا نلقي نظرة على هذه التقنية في المختبر. للبدء ، قم بتشغيل نظام تشغيل مقياس التمدد واسمح للعينة بالجلوس في درجة حرارة الغرفة للتوازن. تأكد من تشغيل نظام التبريد للجهاز ، وأن غاز النيتروجين متصل بالفرن. لا تقم بتشغيل تدفق الغاز بعد ، سيتم تشغيل الغاز عند تشغيل الفرن. تحقق الآن من إجراء تشغيل المعايرة على النظام قبل اختبار العينة الخاصة بك وحدد أحدث معايرة تلبي أو تتجاوز نطاق درجة الحرارة الأقصى ويفضل تشغيلها بنفس معدل منحدر درجة الحرارة. هنا سوف نستخدم تشغيل معايرة تم إجراؤه مسبقا للأقفال الكريستالية القياسية. بعد ذلك ، قم بقياس طول العينة بدقة باستخدام عيارات عالية الجودة. قم بإجراء عدة قياسات على طول الطول لتحديد خطأ القياس. تأكد من أن العينة طويلة بما يكفي للسماح لقضيب الدفع بممارسة بعض القوة فوق العينة. إذا لم يكن طويلا بدرجة كافية ، فاستخدم فاصلا لمادة ذات تمدد حراري معروف وقم بقياس ارتفاعها بحيث يمكن طرح الفاصل من النتائج. إذا تم استخدام فاصل ، فيجب أن يكون موازيا للعينة داخل 1؟. ثم قم بتشغيل النظام وتأكد من أن الفرن قريب من درجة حرارة الغرفة. الآن ارفع غرفة الأنبوب من الفرن عن طريق سحب المقبض الموجود على الجانب لتحرير الأنبوب. ارفع الأنبوب ونظف السطح السفلي للغرفة باستخدام الأيزوبروبانول ومسح للتأكد من أن العينة بها مكان مسطح للوقوف. بعد ذلك ، ضع العينة في الفرن مع الأسطح المسطحة باتجاه قاع الغرفة وقضيب الدفع وقم بخفض قضيب الدفع حتى يتصل بالجزء العلوي من العينة. قم بخفض حجرة الأنبوب التي تحتوي على العينة مرة أخرى في الفرن وتأكد من عدم تحول العينة عن طريق فحص مقياس الإزاحة. الآن ، أدخل معلمات التسخين في نظام تشغيل مقياس التوسع. هنا سيتم تسخين العينة المعدنية 20 - 1000 درجة مئوية بمعدل ثابت قدره 5 درجات الحرارة / دقيقة. لتبريد الفرن ، فقط اترك درجة الحرارة تتوازن مع درجة حرارة الغرفة. قبل بدء الاختبار ، تحقق جيدا من أن جميع الأنظمة تعمل وتعمل. قم بتشغيل غاز تطهير النيتروجين وتأكد من تدفقه إلى النظام. ثم ابدأ الاختبار وتحقق مرة أخرى بشكل دوري للتأكد من أنه يعمل بشكل مناسب. عند اكتمال التشغيل وعودة النظام إلى درجة حرارة الغرفة ، قم بتصدير البيانات وحفظها. ثم كرر الفحص مرتين أخريين لحساب أي توسع مبالغ فيه في التشغيل الأول. بعد اكتمال جميع عمليات التشغيل وحفظ جميع البيانات ، تأكد من أن الفرن بارد. ثم ارفع الأنبوب من الفرن وأزل العينة. لرفع الأنبوب خارج الفرن ، اسحب المقبض الأسود الموجود على جانب الفرن لتحرير الأنبوب. أخيرا ، قم بإغلاق الفرن ونظام التبريد وتطهير الغاز. الآن دعونا نلقي نظرة على النتائج. يقوم البرنامج بإرجاع القيم ل: 1. الوقت ، 2. درجة حرارة العينة ، 3. قراءة المقياس ، 4. التوسع المصحح ، 5. الوقت بالثواني ، 6. قراءة المقياس بدون أبعاد ، 7. تصحيح النظام. أولا ، احسب التغيير في طول العينة لكل نقطة درجة حرارة باستخدام برنامج جداول البيانات ، ثم اقسم كل قيمة على الطول الأصلي للحصول على قيم ؟ لتر / لتر. ثم المؤامرة؟ لتر / لتر مقابل درجة الحرارة. كما ترون من المؤامرة هنا ، تم تسخين 3 معادن إلى درجة حرارة محددة مسبقا ثم تم تبريدها مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة. على الرغم من تسخينه إلى درجة حرارة منخفضة ، إلا أن الألمنيوم أظهر تمددا حراريا أكثر أهمية من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ البارد. في حالة الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ ، يتبع كل من التمدد الحراري والانكماش منحدرا خطيا ؛ مما يعني أن التمدد الحراري كان خطيا. وكان معامل التمدد الخطي ثابتا. ومع ذلك ، فإن التمدد الحراري ليس دائما خطيا ، مما يعني أن التمدد الخطي ليس ثابتا دائما ، كما نرى بالنسبة للفولاذ البارد. أظهرت عينة الصلب البارد تغييرا غير خطي بين 700؟ و 900؟، والتي يمكن أن تعزى إلى عيوب في الهيكل الشبكي للمادة تسمى الاضطرابات. من المهم فهم التمدد الحراري والانكماش للمواد لمجموعة واسعة من التطبيقات. على سبيل المثال ، من الضروري مراعاة التمدد الحراري للمواد عند تصميم الهياكل مثل السكك الحديدية والجسور. يعد التمدد الحراري لأقسام خطوط السكك الحديدية هو السبب الرئيسي لالتواء السكك الحديدية ، مما تسبب في ما يقرب من 200 خروج قطار عن مساره في الولايات المتحدة على مدى 10 سنوات فقط. يمكن أيضا استخدام قياس التمدد الحراري باستخدام قياس التمدد لفحص العيوب في البلورات. الاضطرابات هي عيوب في بنية شبكية للمواد ، ويمكن أن تتخذ العديد من الأشكال المختلفة مثل خلع النقطة حيث تكون ذرة واحدة مفقودة ، أو خلع الحافة حيث يتم إدخال نصف مستوى إضافي من الذرات في الشبكة. نظرا لأن الاضطرابات تشغل الحجم ، تتغير الكثافة استجابة للمعالجة الحرارية. وبالتالي ، فإن قياس التمدد عالي الدقة قد وسع التقنية لدراسة إعادة ترتيب الاضطرابات. ضروري لفهم القوة ومجالات الفشل المحتملة. لقد شاهدت للتو مقدمة Joves لتحليل التمدد الحراري عن طريق قياس التوسع. يجب أن تفهم الآن أساسيات التمدد الحراري ، وتقنية قياس التمدد ، وبعض المجالات التي يتم فيها تحليل التمدد الحراري في الهندسة الإنشائية والمواد. شكرا للمشاهدة.

analysis-of-thermal-expansion-via-dilatometry

Education

JoVE Science Education

Engineering

الهندسة

Materials Engineering

هندسة المواد

Analysis of Thermal Expansion via Dilatometry

using dilatometry to measure heating effects

Dilatometry measures how a material changes in size as temperature changes. It can track changes in length, area, shape, or volume. The method is used to calculate thermal expansion, which is the expansion of a substance when it is heated.

Thermal expansion matters when choosing materials for systems that face changing temperatures. Some materials need high thermal expansion, such as the liquid in a thermometer, because the change helps detect temperature shifts. Other uses need materials with low expansion, like parts in a space shuttle re-entering the atmosphere, to reduce thermal stress and help prevent fracture.

Most materials increase in size when heated at a constant pressure. A dilatometer records that contraction or expansion as temperature changes. The result shows how a material responds to heat and helps compare materials for different applications.

Using Dilatometry to Measure Heating Effects

using-dilatometry-to-measure-heating-effects

optical materialography part 1: sample preparation

optical-materialography-part-1-sample-preparation

Preparing Solid Samples for Optical Microscopy

Optical microscopy of solid materials starts with careful sample preparation. Materialography is the study of microscopic structures in solids and the features seen in those images. It helps reveal details such as porosity, grain size and shape, and whether the microstructure shows anisotropy, or direction-dependent structure. This lesson focuses on the preparation steps used before optical microscopy. It covers the techniques and procedures needed to ready a solid material sample for imaging.

optical materialography part 2: image analysis

optical-materialography-part-2-image-analysis

Quantifying Microstructure in Optical Materialography

Optical materialography can be used to measure the microstructure of solid materials. It focuses on the microscopic structures seen in an exposed surface and uses them to study the material more deeply. A common goal is to estimate the three-dimensional microstructure of a sample from a two-dimensional cross section. This approach relies on the structural features visible in the image. It helps turn surface observations into quantitative data about the material. X-ray tomography can also...

x-ray photoelectron spectroscopy

XPS Surface Analysis of Materials

X-ray photoelectron spectroscopy, or XPS, is a surface analysis method for studying materials. It measures elemental composition, empirical formula, chemical state, and electronic state of the elements in a sample. Because the signal comes from the top few nanometers, XPS is especially useful for examining surfaces. To collect an XPS spectrum, a material is irradiated with an X-ray beam. At the same time, the instrument measures the kinetic energy and number of electrons that escape from the...

x-ray diffraction

Crystal Structure Using X-ray Diffraction

X-ray diffraction is a materials science method for finding crystal structure. It uses incident X-rays that strike a sample and scatter from its atoms and molecules. The scattered X-rays are measured by their intensity and scattering angle. The results are plotted as intensity versus angle. Scientists then analyze the position of the peaks and their strength to determine the structure of the material. This method can also show how a real crystal differs from an ideal one. It can reveal effects...

focused ion beams

Focused Ion Beams in Microfabrication

Focused ion beams are used in microfabrication and nano-fabrication. A focused ion beam, or FIB, is an instrument that can fabricate, trim, analyze, and characterize materials on micro- and nano-scales. These tools are used in many fields, from nano-electronics to medicine. FIB systems work with a beam of ions. That beam can mill, or sputter, material away. It can also deposit material and image surfaces at small scales. In many research labs, the ion column of a FIB is integrated with the...

directional solidification and phase stabilization

directional-solidification-and-phase-stabilization

Zone Melting for Alloy Refining

Zone melting directional solidification is a metallurgical process used to move a narrow molten region through a crystal, usually a bar-shaped sample. A furnace travels along the rod, so the molten zone moves from one end of the bar to the other. This controlled motion changes how material forms as it solidifies. In alloys, solute atoms tend to separate into the melt. Impurities also concentrate in the molten zone instead of staying in the solid. As the molten region moves forward, it carries...

differential scanning calorimetry

Measuring Polymer Crystallinity with DSC

Differential scanning calorimetry, or DSC, is a method used to measure the thermal properties of materials. It helps scientists see how much heat a material stores as it warms up. This heat storage is called heat capacity. DSC also measures the heat absorbed or released during chemical reactions and phase changes. From these measurements, it can help determine other properties such as glass transition temperature and polymer crystallinity. Polymers often have long, chain-like structures that...

thermal diffusivity and the laser flash method

thermal-diffusivity-and-the-laser-flash-method

How Laser Pulses Measure Heat Flow

Laser flash analysis measures thermal diffusivity, which describes how fast heat moves through a material compared with how much heat it stores. This material-specific property helps show how a sample transfers thermal energy and how it responds to temperature changes. Thermal diffusivity is related to thermal conductivity, the measure of how heat moves through a material because of a temperature difference. That relationship also depends on the material’s density, shown as ρ, and its specific...

electroplating of thin films

Fast Metal Coating Without a Vacuum

Electroplating is a way to add a thin metal coating to a surface using electric current. In this process, dissolved metal cations are reduced and form a film on an electrode. The method is also called electrodeposition. This page also compares electroplating with other thin film deposition methods. Chemical vapor deposition, or CVD, uses a gas-phase precursor. Spin coating spreads a liquid precursor by spinning it outward. Dip coating is similar, but the substrate is fully submerged instead of...

analysis of thermal expansion via dilatometry

Dilatometry measures how a material changes in size as temperature changes. It can track changes in length, area, shape, or volume. The method is used to calculate thermal expansion, which is the expansion of a substance when it is heated. Thermal expansion matters when choosing materials for systems that face changing temperatures. Some materials need high thermal expansion, such as the liquid in a thermometer, because the change helps detect temperature shifts. Other uses need materials with...

electrochemical impedance spectroscopy

Why AC Signals Matter in Impedance

Electrical impedance describes how a circuit element resists the flow of electricity. It is a more general measure than electrical resistance, especially when a circuit is not simple enough to be described by resistance alone. Resistance is the ability of a circuit element to resist current. It is defined by Ohm's law, which relates voltage and current. That relationship works well for ideal resistors, but many real circuit elements are more complex. When an alternating current, or AC, is...

ceramic-matrix composite materials and their bending properties

ceramic-matrix-composite-materials-and-their-bending-properties

Bone-Inspired Ceramic Composites in Bending

Bone helps show how ceramic-matrix composites work. In this material system, the ceramic part gives compressive strength, while the polymer fiber reinforcement adds tensile and flexural strength. By changing the amounts of ceramic and polymer, engineers can make materials for specific uses. This idea matters in biomedical engineering, where replacing or copying bone after disease or traumatic injury is an important goal. For this study, plaster of Paris, a calcium sulfate compound, is used to...

nanocrystalline alloys and nano-grain size stability

nanocrystalline-alloys-and-nano-grain-size-stability

Keeping Nanocrystalline Alloy Grains Small

Nanocrystalline alloys are metals with grain sizes smaller than 100 nm. These tiny grains can give the material enhanced physical and mechanical properties. That is why nanocrystalline alloys are used or studied for semiconductor devices, biosensors, and aerospace parts. A major challenge is making dense bulk materials from these alloys. To reach close to 100% density, the material must be processed with elevated temperature and pressure. But as temperature and pressure rise, the small grains...

hydrogel synthesis

Hydrogels and Their Water Absorption

Hydrogels are cross-linked polymers that can absorb water and swell. They are made with relatively simple procedures and inexpensive materials, which makes them useful for many school-level chemistry and materials science topics. A hydrogel starts with a polymer backbone built from monomer reagents. An initiator makes the polymer reactive, and a crosslinking species connects the chains together. This network gives the material its final structure. Water absorption is one of the key features...

materials engineering

This collection features cutting-edge methods for analysis and characterization of materials, and introduces a range of advanced materials and processes for new technologies and applications.

Learn how dilatometry measures changes in length, area, and volume as temperature changes, and why thermal expansion matters in thermometers and spacecraft.

Using Dilatometry to Measure Heating Effects

Description

Transcript

Tags