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.

 

拡張測定による熱膨張の解析

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

温度が変動するシステムでの使用を検討する際には、材料の熱膨張が非常に重要です。拡張測定は、温度の変動を経験する材料の面積、形状、長さ、または体積変化を測定するために使用される技術です。それによって熱膨張の計算を可能にする。このビデオでは、拡張計を紹介し、実験室で金属サンプルの熱膨張を測定する方法を示します。

拡張測定は、まずキャリパーを用いてサンプルの初期長さを測定することによって行われる。次いで、試料を炉内に入れ、この実験の場合は、垂直プッシュバーに接続する。パージガスは、一貫した条件を提供し、加熱中のサンプルの酸化を防ぐために炉内を流れます。次いで、試料を所定の温度に指定された速度で加熱する。サンプルの熱膨張はプッシュバーに移され、変位センサに転送されます。ほとんどの材料は、温度の上昇に伴って膨張し、冷却時に収縮します。ロッドは炉内の高温にもさらされるので、熱膨張・収縮も起きすぎます。したがって、この問題を考慮して測定値を修正する必要があります。

サンプルが経験する熱膨張は、長さの変化をサンプルの初期長さで割ることによって計算されます。これにより、材料の平均線形熱膨張が生じ得る。平均線形膨張率を経験した温度の変化で割ることで、線形熱膨張係数αLを算出することができます。体積膨張係数 αV は、等方性材料の線形拡張係数の 3 倍になります。一部の異方性材料は、特性が方向に依存する材料を意味し、異なる方向に異なる線形膨張係数を示す場合があります。拡張計を使用して熱膨張の基本を学んだので、実験室での技術を見てみましょう。

まず、拡張計オペレーティングシステムの電源を入れ、サンプルが室温で座って平衡化できるようにします。装置の冷却システムが稼働していること、および窒素ガスが炉に接続されていることを確認します。まだガスの流れをオンにしないでください、炉の電源が入っているときにガスがオンになります。サンプルをテストする前に、システムでキャリブレーションの実行が実行されたことを確認し、最大温度範囲を満たすかそれを超える最新のキャリブレーションを選択し、できれば同じ温度ランプレートで実行してください。ここでは、標準クリスタルロックのキャリブレーション実行を以前に行った値を使用します。次に、高品質のキャリバーを使用してサンプルの長さを正確に測定します。

測定誤差を確定するには、長さに沿っていくつかの測定を行います。サンプルが、プッシュロッドがサンプルの上に何らかの力を発揮するのに十分な長さであることを確認します。高さが十分でない場合は、既知の熱膨張を持つ材料のスペーサーを使用し、その高さを測定して、スペーサーを結果から差し引くことができます。スペーサーを使用する場合は、1º 内のサンプルと平行である必要があります。その後、システムの電源を入れ、炉が室温に近いことを確認します。次に、チューブを解放するために側面のノブを引っ張ることによって、炉からチューブチャンバーを上げます。チューブを上げ、イソプロパノールとワイプでチャンバーの底面を清掃し、サンプルが平らな場所に立つようにします。次に、チャンバーの底部とプッシュロッドに向かって平らな表面を持つ炉内にサンプルを配置し、サンプルの上部に接触するまでプッシュロッドを下げます。サンプルを含むチューブチャンバーを炉内に戻し、変位ゲージを確認してサンプルがシフトしていないことを確認します。次に、拡張計オペレーティングシステムに加熱パラメータを入力します。

ここでは、金属サンプルは5º/分の一定速度で20º-1000ºcを加熱されます。炉を冷却するには、温度が室温と平衡するようにしてください。テストを開始する前に、すべてのシステムがオンで機能していることを再確認します。窒素パージガスの電源を入れ、システムに流されていることを確認します。次に、テストを開始し、定期的に確認して、テストが適切に実行されていることを確認します。実行が完了し、システムが室温に冷却されたら、データをエクスポートして保存します。次に、スキャンをもう 2 回繰り返して、最初の実行で誇張された展開を考慮します。すべての実行が完了し、すべてのデータが保存されたら、炉が冷却されていることを確認します。その後、炉からチューブを上げ、サンプルを取り外します。炉からチューブを上げるには、炉の側面にある黒いノブを引っ張ってチューブを解放します。最後に、炉、冷却システムをシャットダウンし、ガスをパージします。

それでは、結果を見てみましょう。プログラムは、1.時間、2.サンプル温度、3.ゲージの読み取り、4.補正された拡張、5.秒の時間、6.無次元ゲージの読み取り、7.システム補正の値を返します。まず、スプレッドシート プログラムを使用して各温度点のサンプルの長さの変化を計算し、各値を元の長さで除算して ΔL/L の値を取得します。次に、ΔL/L 対温度をプロットします。ここでのプロットからわかるように、3つの金属をプリセット温度に加熱し、室温まで冷却しました。より低い温度に加熱されたが、アルミニウムはステンレス鋼や冷間加工鋼よりも顕著な熱膨張を示した。

アルミニウムとステンレス鋼の場合、熱膨張と収縮の両方が線形勾配に従います。熱膨張が線形であることを意味します。そして、線形膨張係数は一定であった。ただし、熱膨張は常に線形であるとは限らないため、冷間加工鋼に対して見て、線形膨張が常に一定であるとは限りません。冷間加工鋼サンプルは、700ºと900ºの間の非線形変化を示し、転位と呼ばれる材料の格子構造の欠陥に起因する可能性があります。

幅広い用途に対応する材料の熱膨張と収縮を理解することが重要です。例えば、鉄道や橋梁などの構造物を設計する際には、材料の熱膨張を考慮することが不可欠です。鉄道線路の断面の熱膨張は、わずか10年間で米国で約200本の列車脱線事故を引き起こした鉄道座屈の主な原因です。拡張測定を用いた熱膨張の測定は、結晶の欠陥を調べるためにも使用できます。転位は、材料格子構造の欠陥であり、1つの原子が欠落している点転位や、原子の余分な半面が格子に導入されるエッジ転位など、さまざまな形態をとることができます。転位は体積を占めるので、熱処理に応じて密度が変化します。したがって、高分解能化測定は、転位の再配置を研究する技術を拡張した。強さと失敗の可能性のある領域を理解するために不可欠です。

あなたはちょうど拡張測定による熱膨張の分析にジョーブスの紹介を見てきました。ここで、熱膨張の基礎、拡張測定技術、および構造および材料工学で熱膨張を分析する一部の領域を理解する必要があります。見てくれてありがとう。

Read Article

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

Waiting X
simple hit counter