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Analyse de l'expansion thermique via Dilatometry
 

Analyse de l'expansion thermique via Dilatometry

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L'expansion thermique d'un matériau est extrêmement importante lorsque l'on considère son utilisation dans un système à température fluctuante. La dilatométrie est une technique utilisée pour mesurer la surface, la forme, la longueur ou les changements de volume d'un matériau qui connaît des fluctuations de température. Permettant ainsi le calcul de l'expansion thermique. Dans cette vidéo, nous allons introduire le dilatomètre, et de démontrer comment mesurer l'expansion thermique d'un échantillon de métal dans le laboratoire.

La dilatométrie est d'abord effectuée en mesurant la longueur initiale de l'échantillon à l'aide d'étriers. Ensuite, l'échantillon est placé dans un four, et dans le cas de cette expérience, relié à une barre de poussée verticale. Un gaz de purge circule dans le four pour fournir des conditions uniformes et empêcher l'oxydation de l'échantillon pendant le chauffage. L'échantillon est ensuite chauffé à une température prédéterminée à un taux spécifié. L'expansion thermique de l'échantillon est transférée à la barre de poussée, qui est ensuite transférée au capteur de déplacement. La plupart des matériaux se dilatent avec une température accrue, puis se contractent lors du refroidissement. Étant donné que la tige est également exposée à la température élevée dans le four, elle aussi connaît une expansion thermique et une contraction. Ainsi, la mesure doit être corrigée pour tenir compte de cela.

L'expansion thermique vécue par l'échantillon est calculée en divisant la variation de longueur par la longueur initiale de l'échantillon. Cela donne l'expansion thermique linéaire moyenne du matériau. Nous pouvons calculer le coefficient d'expansion thermique linéaire, L, en divisant l'expansion linéaire moyenne par le changement de température subi. Le coefficient d'expansion volumétrique, V, est alors 3 fois le coefficient d'expansion linéaire pour les matériaux isotropes. Certains matériaux anisotropes, c'est-à-dire des matériaux dont les propriétés dépendent de la direction, peuvent présenter différents coefficients d'expansion linéaire dans des directions différentes. Maintenant que vous avez appris les rudiments de l'expansion thermique à l'aide d'un dilatomètre, jetons un coup d'oeil à la technique en laboratoire.

Pour commencer, alimentez le système d'exploitation du dilatomètre et permettez à l'échantillon de s'asseoir à température ambiante pour l'équilibre. Assurez-vous que le système de refroidissement de l'instrument est en marche et que le gaz azoté est relié au four. N'allumez pas encore le flux de gaz, le gaz sera allumé lorsque le four est allumé. Vérifiez maintenant que la course d'étalonnage a été effectuée sur le système avant de tester votre échantillon et sélectionnez l'étalonnage le plus récent qui répond ou dépasse votre plage de température maximale et est de préférence exécuté au même taux de rampe de température. Ici, nous allons utiliser un exécution d'étalonnage précédemment menée des serrures en cristal standard. Ensuite, mesurez avec précision la longueur de l'échantillon à l'aide de calibres de haute qualité.

Prendre plusieurs mesures le long de la longueur afin d'établir l'erreur de mesure. Assurez-vous que l'échantillon est assez long pour permettre à la tige de poussée d'exercer une certaine force sur le dessus de l'échantillon. S'il n'est pas assez grand, utilisez un espaceur d'un matériau avec une expansion thermique connue et mesurez sa hauteur afin que l'espaceur puisse être soustrait des résultats. Si un espaceur est utilisé, il doit être parallèle à l'échantillon dans le 1o. Puis énergiser le système et s'assurer que le four est proche de la température ambiante. Maintenant, soulevez la chambre tubulaire hors du four en tirant le bouton sur le côté pour libérer le tube. Soulevez le tube et nettoyez la surface inférieure de la chambre avec de l'isopropanol et une lingette pour vous assurer que l'échantillon a un endroit plat pour se tenir. Ensuite, placez l'échantillon dans le four avec les surfaces planes vers le fond de la chambre et la tige de poussée et abaissez la tige de poussée jusqu'à ce qu'il entre en contact avec le haut de l'échantillon. Abaissez la chambre tubulaire contenant l'échantillon dans le four et assurez-vous que l'échantillon ne s'est pas déplacé en vérifiant la jauge de déplacement. Maintenant, entrez les paramètres de chauffage dans le système d'exploitation du dilatomètre.

Ici, l'échantillon de métal sera chauffé 20o-1000oc à un taux constant de 5o/minute. Pour refroidir le four, il suffit de laisser la température d'équilibre avec la température ambiante. Avant de commencer le test, vérifiez que tous les systèmes sont tous allumés et fonctionnent. Allumez le gaz de purge d'azote et assurez-vous qu'il circule dans le système. Ensuite, lancez le test et revenez périodiquement pour vous assurer qu'il fonctionne correctement. Lorsque la course est terminée et que le système est refroidi à la température ambiante, exportez et enregistrez les données. Ensuite, répétez l'analyse une autre 2 fois pour tenir compte de toute expansion exagérée sur la première course. Une fois que toutes les exécutions ont été terminées et que toutes les données sont enregistrées, assurez-vous que le four est frais. Soulevez ensuite le tube du four et retirez l'échantillon. Pour soulever le tube hors du four, tirez le bouton noir sur le côté du four pour libérer le tube. Enfin, arrêtez le four, le système de refroidissement et purgez le gaz.

Maintenant, jetons un oeil aux résultats. Le programme renvoie les valeurs pour : 1. Temps, 2. Température de l'échantillon, 3. Lecture de la jauge, 4. Expansion corrigée, 5. Temps en secondes, 6. Lecture de la jauge sans dimension, 7. Correction du système. Tout d'abord, calculer la variation de la longueur de l'échantillon pour chaque point de température à l'aide d'un programme de feuille de calcul, puis diviser chaque valeur par la longueur d'origine pour obtenir des valeurs de L/L. Ensuite, tracez l'Un/L vs Température. Comme vous pouvez le voir sur la parcelle ici, 3 métaux ont été chauffés à une température préfixée, puis refroidi à la température ambiante. Bien qu'il ait été chauffé à une température plus basse, l'aluminium présentait une expansion thermique plus importante que l'acier inoxydable ou l'acier travaillé à froid.

Dans le cas de l'aluminium et de l'acier inoxydable, l'expansion thermique et la contraction suivent toutes deux une pente linéaire; ce qui signifie que l'expansion thermique était linéaire. Et le coefficient d'expansion linéaire était constant. Cependant, l'expansion thermique n'est pas toujours linéaire, ce qui signifie que l'expansion linéaire n'est pas toujours constante, comme nous le voyons pour l'acier travaillé à froid. L'échantillon d'acier travaillé à froid a montré un changement non linéaire entre 700o et 900o, qui peut être attribué à des défauts dans la structure du treillis du matériau appelé dislocations.

Il est important de comprendre l'expansion thermique et la contraction des matériaux pour un large éventail d'applications. Par exemple, il est essentiel de tenir compte de l'expansion thermique des matériaux lors de la conception de structures telles que les chemins de fer et les ponts. L'expansion thermique de sections de voies ferrées est la principale cause de l'enchevêtrement des rails, qui a causé près de 200 déraillements de train aux États-Unis sur une période de seulement 10 ans. La mesure de l'expansion thermique à l'aide de la dilatométrie peut également être utilisée pour examiner les défauts des cristaux. Les dislocations sont des défauts dans une structure de treillis de matériaux, et peuvent prendre de nombreuses formes différentes telles qu'une dislocation de point où un atome est manquant, ou une dislocation de bord où un demi-plan supplémentaire d'atomes est introduit dans le treillis. Puisque les dislocations occupent le volume, la densité change en réponse au traitement thermique. Ainsi, la dilatométrie à haute résolution a étendu la technique pour étudier le réarrangement des dislocations. Essentiel à la compréhension de la force et des zones d'échec possibles.

Vous venez de regarder Joves introduction à l'analyse de l'expansion thermique via la dilatométrie. Vous devez maintenant comprendre les principes fondamentaux de l'expansion thermique, la technique de dilatométrie, et certains domaines où l'expansion thermique est analysée dans l'ingénierie structurelle et des matériaux. Merci d'avoir regardé.

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