книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

Метод изгибных колебаний

Метод изгибных колебаний широко применен в практике физических исследований. На рис. 2.3.13 схематически показано изменение формы образца во время испытания методами изгибных колеба­ ний. Тонкие проволоки 2 и 3 соединяют образец с электромагнитным вибратором 4 и приемником колебаний 5. В России подобного типа установки разработаны в Институте машиноведения РАН под руководством М.Г. Лозинского.

На установке Лозинского ИМАШ-6 осуществ­ лена возможность измерения модуля упругости и внутреннего трения при нагреве до 1200 °С в ва­ кууме. На рис. 2.3.14 приведена принципиальная схема установки ИМАШ-6.

Изучаемый образец 1 подвешивается горизон­ тально на тонких проволоках 2 и 3 (из нихрома, вольфрама или молибдена) диаметром 0,05- 0,08 мм. Одна закреплена к подвижной части элек­ тровибратора 4, а другая — к пластинке сегнетовой соли, являющейся приемником колебаний 5. Вибратор и приемник укреплены на массивной стойке 6, установленной на плите 7, являющейся основанием вакуумной камеры. Нагрев камеры осуществляется радиационным методом при по­ мощи трубчатого нагревателя 8, изготовленного из молибденовой жести. Выводы нагревателя прохо­

дят через герметизирующие и изолирующие уплот­ нения в плите и соединяются с питающим транс­ форматором 9.

Контроль и регулирование температуры образ­ ца производят автоматическим электронным по­ тенциометром 10, подключенным к выводам тер­ мопары 11, спай которых расположен возле образца внутри нагревателя. Электромагнитный контактор 12, подающий питание на обмотку трансформато­ ра 9, периодически включается и выключается по­ тенциометром 10.

Рис. 2.3.13. Изменение формы свободно подвешенного образца во время определения модуля упругости

по резонансу поперечных колебаний и определение логарифмического декремента затухания

Генератор 13, работающий в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, соединен с катушкой электромагнитно­ го вибратора 2. Определение величины внутренне­ го трения материала образца при температуре опыта производится путем съемки осциллограммы процесса затухания колебаний образца после включения генератора 13 (рис. 2.3.15). Вакуумная схема установки, обеспечивающая возможность безокислительного нагрева образцов и их колеба­ ний при отсутствии газовой среды, образована плитой 7 и колпаком 16. Остаточное давление в рабочей камере установки составляет 0,0133— 0,0013 Па (10^-10'5 мм рт. ст.). Откачка воздуха и газов из объема рабочей камеры производится при помощи вакуумного пароструйного насоса. Изме­ рение глубины вакуума осуществляют с помощью вакуумметра 19 термопарной и ионизационной манометрическими лампами 20 и 21.

Возможность исследования с помощью уста­ новки типа ИМАШ-6 на одних и тех же образцах простой формы модуля упругости и внутреннего трения металлов и сплавов в широком интервале температур позволяет значительно ускорить опре­ деление этих важных для практики характеристик. Прибор позволяет определять логарифмический декремент колебаний на частотах до 6500 Гц с разбросом показаний 0,2-0,5 %.

Рис. 2.3.15. График затухающих гармонических колебаний, регистрируемых для определения внутреннего трения металлов и сплавов при нагреве

Метод продольных колебаний

При реализации метода изгибных колебаний образец подвешивается обычно на двух нитях, что является существенным недостатком метода, т. к. напряжение по длине образца и его сечению распределяется неравномерно. Этот недостаток устраняется при учете переменного сжатия— растяжения, возникающего при продольных коле­ баниях образцов. Методы продольных колебаний в основном различают по способу преобразования электрических колебаний в механические колеба­ ния образца.

Магнитный метод требует для немагнитных материалов крепления к образцу специальных по­ люсных наконечников из ферромагнитного метал­ ла. Расположенная около одного из наконечников катушка, питаемая генератором, создает перемен­ ное магнитное поле, которое взаимодействует с полюсным наконечником и приводит в движение образец. Во второй катушке наводится ЭДС, реги­ стрируемая прибором.

Электромеханическая связь в рассмотренной схеме достаточно сильная, поэтому ее можно при­ менять для материалов с высоким внутренним трением. Для измерения малого внутреннего тре­ ния метод неприменим, поскольку наконечники вызывают дополнительные потери энергии.

Метод возбуждения вихревых токов ограни­ чивается случаем продольных колебаний образцов с хорошей электропроводностью. Чтобы привести образец в движение, один конец образца вводят в

катушку и помещают в поле постоянного магнита. Катушка, питаемая переменным током от генера­ тора, наводит в образце вихревые токи, которые при взаимодействии с полем постоянного магнита вызывают колебания образца. Если у противопо­ ложного конца образца поместить такую же ка­ тушку с магнитом, то в образце будут наводиться вихревые токи в результате его перемещения в магнитном поле. Наведенная этими токами ЭДС регистрируется прибором. Амплитуда колебаний очень мала. Этот метод пригоден только для изме­ рения малых величин внутреннего трения, где не нужно большой мощности для возбуждения коле­ баний образца. Основное преимущество метода заключается в отсутствии дополнительных при­ способлений, служащих источником потерь и ис­ кажающих результат измерения.

Имея в виду возможную амплитудную зависи­ мость, многие исследователи делят полное внут­ реннее трение на две составляющие

Q - '= Q ; '+ Q ; ',

где Q”1 — внутреннее трение, наблюдаемое при

реннего трения, зависящая от амплитуды. Это раз­ ложение носит условный характер, т. к. положение критической точки зависит от частоты колебаний, свойств среды, температуры и предыстории мате­ риала. Кроме того, амплитуднозависимая часть внутреннего трения также зависит от времени. При больших амплитудах деформации состояние материала изменяется в процессе самого измере­ ния внутреннего трения.

Если проводить измерения внутреннего трения хорошо отожженных образцов при амплитудах, не превышающих критические, то почти всегда мож­ но получить воспроизводимые результаты и гово­ рить о независимости величины внутреннего тре­ ния от времени. При исследования внутреннего трения тех же образцов в амплитуднозависимой области наблюдается зависимость внутреннего трения от времени, что свидетельствует об изме­ нении состояния металла в процессе измерения Q~] Амплитуднозависимое внутреннее трение есть функция времени, в течение которого образец со­ вершает колебания большой амплитуды и зависит от времени, прошедшего после высокоамплитуд­ ного возбуждения. Амплитуднонезависимое внут­ реннее трение тоже зависит от времени, если обра­ зец в результате внешнего воздействия (наклеп, закалка, нагрев до начала превращения) был пере­ веден в неравновесное состояние.

Рис. 2.3.19. Амплитудная зависимость внутреннего трения твердого тела (схема)

Влияние температуры. К настоящему времени исследована температурная зависимость внутрен­ него трения большинства элементов, обладающих металлической связью. Как показывает опыт, в области температур до 0,5-0,6 Гпл внутреннее тре­ ние у хорошо отожженных совершенных металли­ ческих монокристаллов, не испытывающих при нагреве каких-либо превращений, монотонно воз­ растает с ростом температуры. При более высоких температурах наблюдается почти экспоненциаль­ ное возрастание величины внутреннего трения. В тех случаях, когда в исследуемом интервале температур возможны фазовые или релаксацион­ ные процессы, на монотонный фон внутреннего трения накладываются максимумы. Многочислен­ ными исследованиями показано, что температур­ ный спектр чистых хорошо отожженных металлов сравнительно прост. Он представляет собой об­ щий фон, на который накладываются пики, обу­ словленные релаксацией напряжений по границам раздела, полиморфными превращениями и т. д. Характер температурного спектра зависит от сте­ пени и вида предварительной деформации, скоро­ сти нагрева и охлаждения, наличия примесей. Эти факторы не только изменяют положение и форму пиков, но и усложняют спектр.

Литература

1.Блантер М.С., Пигузов Ю.В., Ашмарин Г.М. и др. Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях. М.: Металлургия, 1991.248 с.

2.ГОСТ 25156-82 Металлы. Динамический ме­ тод определения характеристик упругости.

3.Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее тре­ ние и структура металлов. М.: Металлургия, 1976.376 с.

4.Лифшиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

5.Методы испытаний, контроля и исследований машиностроительных материалов / Под ред. чл.-корр. АН СССР А.Г. Туманова. Т. 1: Физи­ ческие методы исследования металлов / Под ред. акад. С.Г. Кишкина. М.: Машиностроение, 1971.554 с.

6.Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Ско­ рость звука и структура сталей и сплавов. Но­ восибирск: Наука, 1996. 184 с.

7.Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1974. 352 с.

Термодинамические исследования процессов химического превращения имеют особое значение в металловедении и металлургической термохи­ мии. Разработка и оптимизация технологических процессов невозможна без исследования термоди­ намической функции состояния — свободной энергии Гиббса (G). Уже одно определение знака изменения свободной энергии позволяет решить, обеспечит ли выбранный процесс превращение вещества и получение требуемого конечного про­ дукта при заданных условиях и каким образом на­ до изменить переменные параметры состояния температуру, давление, состав, чтобы рассматри­ ваемая реакция была термодинамически возмож­ на. По величине изменения свободной энергии Гиббса (ДG) рассчитывают положение химическо­ го равновесия, а следовательно, и степень разви­ тия химического процесса превращения вещества. Если кроме величины AG известно изменение эн­ тальпии АН, т. е. количества тепла, обмениваемого с окружающим пространством, возможна оптими­ зация баланса энергии для данного технологиче­ ского процесса.

Величину AG определяют исходя из изотермы Вант-Гоффа по уравнению

AG = AG° + RT\n П(й;),

где AG° — стандартная свободная энергия Гиббса; ц — термодинамическая активность компонентов сплава или реакции. В равновесном состоянии, когда активность всех компонентов соответствует равновесным активностям, свободная энергия Гиббса равна нулю. Тогда для стандартной сво­ бодной энергии Гиббса

AG° =-RT In П(аД

где П(ау) соответствует константе равновесия К, т. е. AG° = —RT In К. Следовательно, измерение равновесных активностей или констант равнове­ сия дает возможность рассчитывать AG° и стан­ дартную энтальпию реакции АН0 при наличии их зависимости от температуры и представляет важ­ ный экспериментальный метод, позволяющий сделать достаточно полные термодинамические выводы о процессе химического превращения ве­

щества. Активность компонента в растворе или в сплаве можно определить путем измерения парци­ ального давления насыщенного пара компонента над сплавом относительно давления пара чистого компонента при той же температуре:

Методы, применяемые при изучении гетеро­ генных равновесий с участием паровой фазы, мо­ гут быть разделены на следующие группы:

•статические методы, в которых изучаемая система находится в замкнутом, изолированном от внешней среды объеме при определенной темпе­ ратуре;

•квазистатические методы, в которых изучае­ мая система находится в объеме, сообщающемся с внешней средой, но принимаются меры, ограни­ чивающие выход пара из реакционного объема;

•динамические методы, в которых изучаемая система включает в себя пар металла, протекаю­ щий через зону с определенной температурой;

•кинетические методы, в которых данные о давлении пара рассчитывают на основе представ­ лений кинетической теории газов.

2.4.1. С татические м етоды измерения давления пара

Принцип всех статических методов состоит в следующем: в системе, находящейся в замкнутом объеме и пришедшей в термическое равновесие, измеряют одно или несколько свойств, например состав и давление пара. Особенностью статиче­ ских методов является то, что при изучении сис­ темы, находящейся в замкнутом объеме, время установления равновесия ничем не ограничено. Большинство статических методов позволяет изу­ чать гомогенные газовые равновесия. Расчет дав­ ления пара из данных статических методов осно­ вывается на допущении идеальности паровой фазы.

Для измерения давления пара прямым статиче­ ским методом используют манометры различного типа. Ртутные (жидкостные) манометры употреб­ ляются главным образом для измерения сравни­ тельно высоких давлений от 133,3 Па до 0,1 МПа

(от 1 до 760 мм рт. ст.). Ртутный манометр пред­ ставляет собой U-образную трубку, заполненную ртутью. При измерении одно колено трубки при­ соединяется к сосуду с насыщенным паром, а дру­ гое остается открытым или вакуумируется. В ряде случаев закрытое колено манометра само служит сосудом для вещества, где устанавливается равно­ весное давление пара. Измерение осуществляется с помощью дополнительного ртутного манометра. Приборы для измерения давления пара с помощью ртутных манометров показаны на рис. 2.4.1 и рис. 2.4.2.

Наиболее распространенным и надежным ста­ тическим методом, непосредственно измеряющим давление пара в системе, является статический метод с мембранным нуль-манометром. Этим ме­ тодом можно не только измерять давление пара, но и изучать процессы в гомогенных газовых сис­ темах. Система находится в замкнутом объеме, ограниченном чувствительной мембраной, за по­ ложением которой можно наблюдать. Изменение давления в системе компенсируется изменением внешнего (по отношению к мембране) давления газа, которое измеряется манометром. Основным достоинством мембранного метода является то, что весь прибор, включая упругую мембрану, мо­ жет быть выполнен из стекла. Это дает возмож­ ность изучать системы с участием химически аг­ рессивных веществ.

3 3

Рис. 2.4.1. Схема прибора (тензиметра) для измерения давления пара с помощью ртутного манометра:

j y .

/С

О

б.

Рис. 2.4.2. Приборы для измерения давления пара

спомощью ртутных манометров:

а— прямым методом:

1—сосуд с веществом; 2 —манометр;

3 —буферный баллон; 4 —краны вакуумной системы;

5 —кран резервуара с инертным газом;

6— кран резервуара со ртутью; б —компенсационным методом:

1—сосуд с веществом; 2— индикаторный манометр;

3 —измерительный манометр; 4 —кран вакуумной системы и баллона с инертным газом;

5 —место отпайки от вакуумной системы

Стеклянный мембранный манометр представ­ лен на рис. 2.4.3. Он представляет собой тонкую стеклянную мембрану, впаянную в расширение стеклянной трубки, которая присоединена к ваку­ умной системе. Мембрана способна прогибаться под действием разности давлений по обе ее сторо­ ны. К мембране крепится штифт, на который опи­ рается отражательное зеркальце, закрепленное на тонкой вольфрамовой нити. Отражение от зер­ кальца проектируется на шкалу. При одинаковом давлении по обе стороны мембраны отражение останавливается на нулевом делении шкалы. Да­

Рис. 2.4.3. Мембранный стеклянный манометр: а—схема манометра в собранномвиде:

1— манометр; 2— зеркальце;

3 — компенсационный манометр; 4— внешний сосуд,^ соединенный систочником инертного газа иатмосферой б__мембранас подвижнымзеркальцем:

I — трубкасрасширением; 2— мембрана,

3— зеркальце; 4— штифт; 5— крепление зеркальца; 6— вольфрамовая нить

Другим типом манометра для измерения давле­ ния пара является кварцевый или стеклянный спи­ ральный манометр. Основной его частью служит полая стеклянная или кварцевая трубка в виде спирали, на конце которой закрепляется зеркаль­ це. Спираль присоединяется к прибору, в котором производится измерение давления пара. Измене­ ние давления внутри спирали изменяет ее форму и отклоняет зеркальце от нулевого положения. Так же, как и мембранный манометр, спиральный манометр должен градуироваться по ртутному манометру. Вариантом манометра, объединяюще­ го в себе спиральный и мембранный, является

с веществом, давление пара которого измеряется. Под влиянием разности давлений внутри и снару­ жи баллона происходит деформация стенок бал­ лона. величина которой фиксируется посредством указателя 2. Преимуществом этого манометра по сравнению с мембранным является возмож­

ность использования его при температурах до 600 °С.

Прямое измерение давления насыщенного пара играет незначительную роль в термодинамике сплавов или в исследовании высокотемператур­ ных процессов в основном из-за проблем, связан­ ных с материалами конструкции установок.

Рис. 2.4.4. Схема манометра Бурдона

с деформирующейся стенкой:

1—баллон с деформирующейся стенкой; 2 —указатель;

3 — система крепления указателя;

4 —стеклянный баллон, окруженный водной рубашкой

Одним из вариантов статического метода изме­ рения давления пара является метод точки росы. Он применяется для измерения парциального дав­ ления пара легколетучего компонента сплава. На рис. 2.4.5 приведена схема прибора, работаю­ щего по методу точки росы для определения пар­ циального давления пара цинка в латуни. Иссле­ дуемый образец латуни I помещается в часть вакуумированной кварцевой трубки, которая на­ ходится в более горячем пространстве печи. Оба конца кварцевой трубки снабжены маленькими вводными трубками, служащими чехлами для термопар. Печь нагревают до необходимой темпе­ ратуры, а затем свободную от образца часть мед­ ленно охлаждают, наблюдая за поверхностью трубки через специальное окно 2. При определен­ ной температуре, измеряемой термопарой, чистый цинк конденсируется в виде маленьких капель. Температуру конденсации паров цинка можно определить с точностью до 1 °С. Давление пара, фиксируемое при этой температуре, и будет равно давлению пара цинка, входящего в состав латуни.

Для измерения парциальных давлений пара компонентов твердых сплавов разработан анало­ гичный метод, называемый изопиестическим.

Суть его заключается в достижении равновесного давления паров образца сплава, нагреваемого до высокой температуры в запаянном конце трубки, и чистого летучего компонента сплава, находящего­ ся в низкотемпературной зоне. По этому методу измеряют температуры горячего и холодного концов трубки и определяют равновесный состав сплава.

Рис. 2.4.5. Схема прибора для определения давления пара методом точки росы:

1— сплав втрубке; 2 —смотровое окно

2.4.2. К вазистатические методы измерения давления пара

В отличие от статических методов, в которых вещество находится в замкнутом объеме, в квазистатических методах система сообщается с внеш­ ней средой. Поэтому создаются специальные условия, предотвращающие перенос исследуемого вещества из зоны с высокой температурой. Для этого в реакционный объем вводится инертный газ, давление которого может быть много больше, чем давление насыщенного пара исследуемого вещества. В таких условиях перенос вещества определяется диффузией пара в инертном газе. Дополнительно скорость переноса ограничивают, устанавливая в горячей зоне на пути пара диа­ фрагму с маленьким отверстием. В ограниченном таким образом объеме достигается равновесие между конденсированной фазой и паром, близкое

кистинному.

Кэтой группе методов относится метод точки

кипения и метод газового вытеснения.

2.4.2.1. Метод точки кипения

Метод точки кипения основан на том, что жид­ кость закипает, когда давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Измеряя темпера­ туру и внешнее давление, определяют давление насыщенного пара. Метод точки кипения был раз­ работан и впервые применен для измерения дав­ ления насыщенного пара расплавленных металлов

при высоких температурах. Для создания условий, в которых происходит закипание жидкости, воз­ можны два пути: непрерывное повышение темпе­ ратуры при постоянном давлении (изобарический вариант) или непрерывное уменьшение давления при постоянной температуре (изотермический вариант). В обоих случаях фиксируется момент закипания жидкости. Для легколетучих веществ этот метод дает надежные результаты, т. к. темпе­ ратура кипения легко определяется при постоян­ ном внешнем давлении прямым измерением тем­ пературы конденсирующегося пара. Определение точек кипения труднолетучих металлов является более сложной задачей из-за высокой температуры опыта и трудности фиксирования в этих условиях начала кипения визуальным способом.

С целью более точной фиксации момента заки­ пания жидкости был разработан косвенный метод определения температуры закипания металла, ос­ нованный на измерении скорости потери веса

графитовом тигле на пружинных кварцевых весах. В процессе опыта измеряют изменение длины пружины, которое пропорционально изменению веса образца.

Рис. 2.4.6. Схема прибора Руффа для определения давления пара методом точек кипения:

1— кварцевая спираль; 2— шлиф; 3 — сосуд с металлом; 4 —индикатор; 5 —термопара; б — пробка; 7—печь; 8 —к вакуумной системе

Метод точек кипения, при условии правильно­ го определения температуры кипения, является одним из самых надежных методов определения высоких давлений насыщенного пара. Основные погрешности этого метода связаны с определени­ ем температуры кипения.

2.4.2.2. Метод газового вытеснения

При реализации рассматриваемого метода ис­ следуемое вещество испаряется в замкнутом объ­ еме в атмосфере инертного газа, выполняющего роль упругой среды, передающей давление пара манометру, помещенному вне области высокой температуры. Пар исследуемого вещества, попа­ дая за счет диффузии в низкотемпературную часть прибора, конденсируется, но в приборе преду­ смотрены условия, при которых скорость диффу­ зии настолько мала, что равновесие испарения за­ метно не нарушается. Принципиально прибор представляет собой два резервуара с объемами Vx и V2 (V\> V2), соединенные узким каналом. В объ­ еме Vx помещается исследуемое вещество, нагре­ ваемое до температуры Т\. Резервуар V2 связан с манометром и находится при постоянной темпера­ туре. Прибор герметизирован так, что общее ко­ личество инертного газа в процессе опыта посто­ янно, хотя соотношение их весовых количеств в обоих резервуарах различно и зависит от темпера­ туры и давления насыщенного пара исследуемого вещества.

Прибор, работающий по методу газового вы­ теснения, представлен на рис. 2.4.7. Кварцевый цилиндрический сосуд 1 имеет карман 2 для изме­ рительной термопары 3 и горловину 4. Внутрен­ ний объем горловины уменьшен до минимума с помощью кварцевой вставки 5. Снаружи горлови­ на охлаждается водой, проходящей через холо­ дильник 6. Сосуд 1 через горловину 4 и капилляр­ ный вакуумный шланг 7 соединяется с резервуа­ ром, представляющим собой ртутный нуль-мано­ метр 8, находящийся в термостате 9 при исходной температуре. Кран 10 служит для вакуумирования прибора и заполнения его инертным газом.

Метод газового вытеснения прост как в аппара­ турном оформлении, так и в процессе работы, од­ нако точность результатов сравнительно невелика. Этот метод позволяет получать температурную зависимость давления пара в широком интервале высоких (800—1100 °С) температур, когда приме­

нение статического метода оказывается невоз­ можным из-за диффузии газов через мембрану. По сравнению с методом точек кипения, метод газо­ вого вытеснения позволяет в одном опыте полу­ чить кривую зависимости давления насыщенного пара от температуры.

Рис. 2.4.7. Схема прибора для измерения давления пара методом газового вытеснения

2.4.3. Д инам и ческие м етоды измерения давления пара

В динамических методах конденсированная фа­ за и непрерывно проходящий над ней газ взаимо­ действуют друг с другом. Взаимодействие может быть либо химическим, либо оно сводится к на­ сыщению проходящего газа парами исследуемого вещества. Поскольку в динамических методах газ проходит через горячую зону, то есть в газе суще­ ствуют большие температурные градиенты, спо­ собствующие появлению термодиффузии, необхо­ димо предусматривать меры к ее устранению.

2.4.3.1. Измерение давления пара методом переноса

Метод переноса позволяет определить плот­ ность пара вещества, насыщающего при некоторой температуре газ, проходящий над ним. Пар от на­ гретого образца транспортируется в зону конден­ сации посредством подходящего несущего газа. Давление пара определяется по количеству веще-