Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education Library
Materials Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

Analyse der thermischen Ausdehnung mittels Dilatommetrie
 

Analyse der thermischen Ausdehnung mittels Dilatommetrie

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Die thermische Ausdehnung eines Materials ist äußerst wichtig, wenn man seine Verwendung in einem System mit schwankender Temperatur betrachtet. Dilatommetrie ist eine Technik, die verwendet wird, um flächen-, form-, längen- oder Volumenänderungen eines Materials zu messen, wenn es Temperaturschwankungen erfährt. Dadurch wird die Berechnung der Wärmeausdehnung ermöglicht. In diesem Video stellen wir das Dilatometer vor und zeigen, wie die thermische Ausdehnung einer Metallprobe im Labor gemessen wird.

Die Dilatommetrie wird zuerst durch Messung der Anfangslänge der Probe mit Bremssätteln durchgeführt. Dann wird die Probe in einen Ofen gelegt und im Falle dieses Experiments mit einem vertikalen Schubbalken verbunden. Ein Spülgas strömt durch den Ofen, um konsistente Bedingungen zu schaffen und eine Oxidation der Probe während des Erhitzens zu verhindern. Die Probe wird dann mit einer vorgegebenen Temperatur auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt. Die thermische Ausdehnung der Probe wird auf den Schubbalken übertragen, der dann auf den Verdrängungssensor übertragen wird. Die meisten Materialien dehnen sich mit erhöhter Temperatur aus und ziehen sich dann beim Abkühlen zusammen. Da der Stab auch der hohen Temperatur im Ofen ausgesetzt ist, erfährt auch er wärmeausdehnung und Kontraktion. Daher muss die Messung korrigiert werden, um dies zu berücksichtigen.

Die von der Probe erlebte Wärmeausdehnung wird berechnet, indem die Längenänderung durch die Anfangslänge der Probe dividiert wird. Dies ergibt die durchschnittliche lineare Wärmeausdehnung des Materials. Wir können den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten , L, berechnen, indem wir die durchschnittliche lineare Ausdehnung durch die Temperaturänderung dividieren. Der volumetrische Ausdehnungskoeffizient ,,V" ist dann der 3-fache des linearen Ausdehnungskoeffizienten für isotrope Materialien. Einige anisotrope Materialien, d. h. Materialien, deren Eigenschaften richtungsabhängig sind, können unterschiedliche lineare Ausdehnungskoeffizienten in verschiedene Richtungen aufweisen. Nun, da Sie die Grundlagen der thermischen Ausdehnung mit einem Dilatometer gelernt haben, werfen wir einen Blick auf die Technik im Labor.

Schalten Sie zunächst das Betriebssystem dilatometer ein und lassen Sie die Probe bei Raumtemperatur sitzen, um sich auszuberuhigen. Stellen Sie sicher, dass das Kühlsystem für das Gerät läuft und stickstoffgas an den Ofen angeschlossen ist. Schalten Sie den Gasstrom noch nicht ein, das Gas wird eingeschaltet, wenn der Ofen eingeschaltet ist. Überprüfen Sie nun, ob der Kalibrierungslauf auf dem System durchgeführt wurde, bevor Sie Ihre Probe testen, und wählen Sie die neueste Kalibrierung aus, die Ihren maximalen Temperaturbereich erfüllt oder überschreitet und vorzugsweise mit der gleichen Temperaturrampenrate ausgeführt wird. Hier verwenden wir einen zuvor durchgeführten Kalibrierlauf der Standard-Kristallschlösser. Als nächstes messen Sie die Länge der Probe mit hochwertigen Kalibern genau.

Nehmen Sie mehrere Messungen entlang der Länge vor, um den Messfehler zu ermitteln. Stellen Sie sicher, dass die Probe lang genug ist, damit die Schubstange etwas Kraft auf die Probe ausüben kann. Wenn es nicht hoch genug ist, verwenden Sie einen Abstandsraum eines Materials mit bekannter Wärmeausdehnung und messen Sie seine Höhe, so dass der Abstandsraumer von den Ergebnissen subtrahiert werden kann. Wenn ein Abstandser verwendet wird, muss er parallel zur Probe innerhalb der 1o sein. Schalten Sie dann das System ein und stellen Sie sicher, dass der Ofen nahe an der Raumtemperatur ist. Heben Sie nun die Rohrkammer aus dem Ofen, indem Sie den Knopf an der Seite ziehen, um das Rohr loszulassen. Heben Sie das Rohr an und reinigen Sie die untere Oberfläche der Kammer mit Isopropanol und einem Wisch, um sicherzustellen, dass die Probe einen flachen Platz zum Stehen hat. Legen Sie dann die Probe in den Ofen mit den flachen Oberflächen zur Unterseite der Kammer und zur Schubstange und senken Sie die Schubstange, bis sie die Oberseite der Probe kontaktiert. Senken Sie die Rohrkammer, die die Probe enthält, wieder in den Ofen und stellen Sie sicher, dass sich die Probe nicht durch Überprüfung des Verdrängungsmessers verschiebt. Geben Sie nun die Heizparameter in das Betriebssystem Dilatometer ein.

Hier wird die Metallprobe 20o-1000o c mit einer konstanten Rate von 5o/Minute erhitzt. Um den Ofen zu kühlen, lassen Sie einfach die Temperatur mit raumtemperatur gleich. Überprüfen Sie vor dem Test, ob alle Systeme eingeschaltet sind und funktionieren. Schalten Sie das Stickstoffspülgas ein und stellen Sie sicher, dass es in das System fließt. Starten Sie dann den Test, und überprüfen Sie regelmäßig, ob er ordnungsgemäß ausgeführt wird. Wenn der Lauf abgeschlossen ist und das System wieder auf Raumtemperatur abgekühlt ist, exportieren und speichern Sie die Daten. Wiederholen Sie dann den Scan noch 2 Mal, um eine übertriebene Erweiterung beim ersten Durchlauf zu berücksichtigen. Nachdem alle Läufe abgeschlossen und alle Daten gespeichert sind, stellen Sie sicher, dass der Ofen kühl ist. Heben Sie dann das Rohr aus dem Ofen und entfernen Sie die Probe. Um das Rohr aus dem Ofen zu heben, ziehen Sie den schwarzen Knopf an der Seite des Ofens, um das Rohr loszulassen. Schalten Sie schließlich den Ofen, das Kühlsystem und das Spülgas ab.

Werfen wir nun einen Blick auf die Ergebnisse. Das Programm gibt die Werte für: 1. Zeit, 2. Probentemperatur, 3. Messwert, 4. Korrigierte Expansion, 5. Zeit in Sekunden, 6. Dimensionless Gauge Reading, 7. SystemKorrektur. Berechnen Sie zunächst die Längenänderung der Probe für jeden Temperaturpunkt mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms, und dividieren Sie dann jeden Wert durch die ursprüngliche Länge, um Werte von L/L zu erhalten. Dann Plot -L/L vs Temperatur. Wie Sie hier aus dem Grundstück sehen können, wurden 3 Metalle auf eine voreingestellte Temperatur erhitzt und dann wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Obwohl es auf eine niedrigere Temperatur erhitzt wurde, zeigte Aluminium eine signifikantere Wärmeausdehnung als Edelstahl oder kalt bearbeiteter Stahl.

Bei Aluminium und Edelstahl folgen Wärmeausdehnung und Kontraktion einer linearen Steigung; bedeutet, dass die Wärmeausdehnung linear war. Und der lineare Ausdehnungskoeffizient war konstant. Die Wärmeausdehnung ist jedoch nicht immer linear, was bedeutet, dass die lineare Ausdehnung nicht immer konstant ist, wie wir bei kalt bearbeitetem Stahl sehen. Die kaltgearbeitete Stahlprobe zeigte eine nichtlineare Veränderung zwischen 700o und 900o, die auf Defekte in der Gitterstruktur des Materials, die dislokationen genannt werden, zurückzuführen ist.

Es ist wichtig, die thermische Ausdehnung und Kontraktion von Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu verstehen. Beispielsweise ist es wichtig, die Wärmeausdehnung von Materialien bei der Konstruktion von Bauwerken wie Eisenbahnen und Brücken zu berücksichtigen. Die thermische Ausdehnung von Streckenabschnitten ist die Hauptursache für das Einknicken der Eisenbahn, das in den USA über einen Zeitraum von nur 10 Jahren fast 200 Zugentgleisungen verursachte. Die Messung der wärmenden Ausdehnung mittels Dilatommetrie kann auch zur Untersuchung von Defekten in Kristallen verwendet werden. Dislokationen sind Defekte in einer Materialgitterstruktur und können viele verschiedene Formen annehmen, z. B. eine Punktdislokation, bei der ein Atom fehlt, oder eine Kantendislokation, bei der eine zusätzliche halbe Ebene von Atomen in das Gitter eingeführt wird. Da Dislokationen Volumen einnehmen, ändert sich die Dichte als Reaktion auf Wärmebehandlung. So hat die hochauflösende Dilatommetrie die Technik erweitert, um die Neuordnung von Dislokationen zu untersuchen. Unverzichtbar für das Verständnis von Stärke und möglichen Fehlerbereichen.

Sie haben joves gerade bei der Einführung in die Analyse der Wärmeausdehnung mittels Dilatommetrie beobachtet. Sie sollten nun die Grundlagen der thermischen Ausdehnung, die Dilatommetrietechnik und einige Bereiche verstehen, in denen die Wärmeausdehnung in der Struktur- und Materialtechnik analysiert wird. Danke fürs Zuschauen.

Read Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter