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Análisis de la expansión térmica a través de la dilatometría
 

Análisis de la expansión térmica a través de la dilatometría

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La expansión térmica de un material es extremadamente importante cuando se considera su uso en un sistema con temperatura fluctuante. La dilatometría es una técnica utilizada para medir el área, la forma, la longitud o los cambios de volumen de un material a medida que experimenta fluctuaciones en la temperatura. De este modo, se permite el cálculo de la expansión térmica. En este vídeo presentaremos el dilatador y demostraremos cómo medir la expansión térmica de una muestra de metal en el laboratorio.

La dilatometría se realiza primero midiendo la longitud inicial de la muestra utilizando pinzas. A continuación, la muestra se coloca en un horno, y en el caso de este experimento, conectado a una barra de empuje vertical. Un gas de purga fluye a través del horno para proporcionar condiciones consistentes y evitar la oxidación de la muestra durante el calentamiento. La muestra se calienta a una temperatura predeterminada a una velocidad especificada. La expansión térmica de la muestra se transfiere a la barra de empuje, que luego se transfiere al sensor de desplazamiento. La mayoría de los materiales se expanden con mayor temperatura y luego se contraen al enfriarse. Dado que la varilla también está expuesta a la alta temperatura en el horno, también experimenta expansión térmica y contracción. Por lo tanto, la medición debe corregirse para tener esto en cuenta.

La expansión térmica experimentada por la muestra se calcula dividiendo el cambio de longitud por la longitud inicial de la muestra. Esto produce la expansión térmica lineal media del material. Podemos calcular el coeficiente de expansión térmica lineal, L, dividiendo la expansión lineal media por el cambio de temperatura experimentado. El coeficiente de expansión volumétrica, V, es entonces 3 veces el coeficiente de expansión lineal para materiales isotrópicos. Algunos materiales anisotrópicos, es decir, materiales cuyas propiedades dependen de la dirección, pueden exhibir diferentes coeficientes de expansión lineal en diferentes direcciones. Ahora que ha aprendido los conceptos básicos de la expansión térmica utilizando un dilatador, echemos un vistazo a la técnica en el laboratorio.

Para empezar, encienda el sistema operativo del dilatador y permita que la muestra se sente a temperatura ambiente para equilibrarse. Asegúrese de que el sistema de refrigeración del instrumento esté en funcionamiento y de que el gas nitrógeno esté conectado al horno. No encienda el flujo de gas todavía, el gas se encenderá cuando el horno esté encendido. Ahora compruebe que la ejecución de calibración se ha realizado en el sistema antes de probar la muestra y seleccione la calibración más reciente que cumpla o supere su rango de temperatura máximo y preferiblemente se ejecute a la misma velocidad de rampa de temperatura. Aquí vamos a utilizar una ejecución de calibración previamente realizada de los bloqueos de cristal estándar. A continuación, mida con precisión la longitud de la muestra utilizando calibres de alta calidad.

Tome varias medidas a lo largo de la longitud para establecer el error de medición. Asegúrese de que la muestra sea lo suficientemente larga como para permitir que la varilla de empuje ejerza algo de fuerza sobre la muestra. Si no es lo suficientemente alto, utilice un espaciador de un material con expansión térmica conocida y mida su altura para que el espaciador pueda restarse de los resultados. Si se utiliza un espaciador, debe ser paralelo a la muestra dentro del 1o. A continuación, encienda el sistema y asegúrese de que el horno esté cerca de la temperatura ambiente. Ahora levante la cámara del tubo fuera del horno tirando de la perilla en el lado para liberar el tubo. Levante el tubo y limpie la superficie inferior de la cámara con isopropanol y una toallita para asegurarse de que la muestra tiene un lugar plano para estar de pie. A continuación, coloque la muestra en el horno con las superficies planas hacia la parte inferior de la cámara y la barra de empuje y baje la barra de empuje hasta que entre en contacto con la parte superior de la muestra. Baje la cámara del tubo que contiene la muestra de nuevo en el horno y asegúrese de que la muestra no se desplace comprobando el medidor de desplazamiento. Ahora, introduzca los parámetros de calentamiento en el sistema operativo del dilatador.

Aquí la muestra de metal se calentará 20o-1000oc a una velocidad constante de 5o/minuto. Para enfriar el horno, simplemente deje que la temperatura se equilibre con la temperatura ambiente. Antes de iniciar la prueba, compruebe que todos los sistemas están encendidos y funcionando. Encienda el gas de purga de nitrógeno y asegúrese de que está fluyendo hacia el sistema. A continuación, inicie la prueba y vuelva a comprobarla periódicamente para asegurarse de que se está ejecutando correctamente. Una vez finalizada la ejecución y el sistema se haya enfriado de nuevo a la temperatura ambiente, exporte y guarde los datos. A continuación, repita el análisis otras 2 veces para tener en cuenta cualquier expansión exagerada en la primera ejecución. Después de que se hayan completado todas las ejecuciones y se hayan guardado todos los datos, asegúrese de que el horno esté fresco. A continuación, levante el tubo fuera del horno y retire la muestra. Para levantar el tubo fuera del horno, tire de la perilla negra en el lado del horno para liberar el tubo. Por último, apague el horno, el sistema de refrigeración y purgue el gas.

Ahora echemos un vistazo a los resultados. El programa devuelve los valores para: 1. Tiempo, 2. Temperatura de la muestra, 3. Lectura del medidor, 4. Expansión corregida, 5. Tiempo en segundos, 6. Lectura del indicador sin dimensiones, 7. Corrección del sistema. En primer lugar, calcule el cambio en la longitud de la muestra para cada punto de temperatura mediante un programa de hoja de cálculo y, a continuación, divida cada valor por la longitud original para obtener valores de L/L. A continuación, trazar l/L vs temperatura. Como se puede ver en la parcela aquí, 3 metales se calentaron a una temperatura preestablecida y luego se enfriaron de nuevo a temperatura ambiente. Aunque se calentó a una temperatura más baja, el aluminio exhibió una expansión térmica más significativa que el acero inoxidable o el acero trabajado en frío.

En el caso del aluminio y el acero inoxidable, la expansión térmica y la contracción siguen una pendiente lineal; lo que significa que la expansión térmica era lineal. Y el coeficiente de expansión lineal era constante. Sin embargo, la expansión térmica no siempre es lineal, lo que significa que la expansión lineal no siempre es constante, como vemos para el acero trabajado en frío. La muestra de acero trabajado en frío exhibió un cambio no lineal entre 700o y 900o, que puede atribuirse a defectos en la estructura de celosía del material llamado dislocaciones.

Es importante comprender la expansión térmica y la contracción de los materiales para una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, es esencial tener en cuenta la expansión térmica de los materiales al diseñar estructuras como ferrocarriles y puentes. La expansión térmica de secciones de vías férreas es la principal causa del pandeo ferroviario, que causó casi 200 descarrilamientos de trenes en los Estados Unidos durante un período de sólo 10 años. La medición de la expansión térmica mediante dilatometría también se puede utilizar para examinar defectos en cristales. Las dislocaciones son defectos en una estructura de celosía de materiales, y pueden tomar muchas formas diferentes, como una luxación de puntos donde falta un átomo, o una luxación de borde donde se introduce un medio plano extra de átomos en la celosía. Dado que las dislocaciones ocupan volumen, la densidad cambia en respuesta al tratamiento térmico. Por lo tanto, la dilatometría de alta resolución ha ampliado la técnica para estudiar la reorganización de las dislocaciones. Esencial para entender la fuerza y las posibles áreas de fracaso.

Acaba de ver la introducción de Joves al análisis de la expansión térmica a través de la dilatometría. Ahora debe comprender los fundamentos de la expansión térmica, la técnica de la dilatometría y algunas áreas donde la expansión térmica se analiza en ingeniería estructural y de materiales. Gracias por mirar.

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