تحليل التمدد الحراري عن طريق قياس التمدد

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.