What is dilatometry and why is it used in materials engineering?

Dilatometry is a technique that measures changes in area, shape, length, or volume of a material as temperature fluctuates, enabling calculation of thermal expansion. This is critical in materials engineering because understanding how materials expand and contract with temperature helps engineers select appropriate materials for systems experiencing temperature variations, such as aerospace components or infrastructure like bridges and railroads.

How is the linear thermal expansion coefficient calculated from dilatometry data?

The linear thermal expansion coefficient is calculated by first determining the change in length divided by the initial sample length to obtain average linear expansion. Then divide this average linear expansion by the temperature change experienced. For isotropic materials, the volumetric expansion coefficient equals three times the linear expansion coefficient.

Why must dilatometry measurements be corrected for the push rod?

The push rod inside the furnace experiences the same high temperatures as the sample, causing it to undergo thermal expansion and contraction. Since the displacement sensor measures total movement, the rod's expansion must be subtracted from the total reading to isolate only the sample's thermal expansion, ensuring accurate results.

What does non-linear thermal expansion indicate about a material's structure?

Non-linear thermal expansion, where the expansion rate changes at different temperatures, can indicate defects in the material's lattice structure called dislocations. These defects occupy volume and respond to heat treatment, causing density changes. Analyzing non-linear expansion patterns using high-resolution dilatometry helps identify structural defects essential to understanding material strength and failure points.

What is the purpose of nitrogen purge gas during a dilatometry test?

Nitrogen purge gas flows through the furnace during heating to provide consistent environmental conditions and prevent oxidation of the sample at high temperatures. This protective atmosphere ensures that thermal expansion measurements reflect only the material's response to temperature changes, not chemical reactions with oxygen.

How do anisotropic materials behave differently in dilatometry compared to isotropic materials?

Anisotropic materials have direction-dependent properties and may exhibit different linear expansion coefficients in different directions. Unlike isotropic materials, where volumetric expansion equals three times the linear coefficient, anisotropic materials require separate measurements along each axis to fully characterize their thermal expansion behavior.

Why is thermal expansion analysis important for railroad infrastructure?

Thermal expansion of railroad track sections is the primary cause of rail buckling, which caused nearly 200 train derailments in the United States over a 10-year period. Understanding and accounting for thermal expansion through dilatometry helps engineers design tracks and structures that accommodate dimensional changes, preventing dangerous failures and improving safety.

تحليل التمدد الحراري عن طريق قياس التمدد

0 مشاهدة09:42 دقيقة

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.
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.)
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.
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.
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.
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.
بدء الاختبار. بدء الاختبار وستكون البيانات في الوقت الفعلي متاحة للمراقبة. إذا لزم الأمر ، يمكن إلغاء الاختبار.
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.
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.
تحليل البيانات. قم باستيراد البيانات وإنشاء الرسوم البيانية والمرئيات لتمثيل بياناتك بشكل فعال.

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 ، 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.

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.

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.

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.