Инструкция по проведению эксперимента

Измерение температуры в данной работе производится с помощью термопары, подключенной к цифровому вольтметру. Термопара (7) (рис. 1) представляет собой два проводника из разных металлических материалов, два конца которых спаяны и имеют температуру измеряемого объекта (“горячий спай”), а другие два конца могут быть присоединены к измерительному прибору (“холодный спай”) и имеют температуру окружающей среды. Как известно, за счет разницы температуры между “холодным спаем” Т₁ и (“горячим спаем”) Т₂ возникает разность потенциалов (ТермоЭДС или ТЭДС) пропорциональная DТ= Т₂ - Т₁, величина которой регистрируется измерительным прибором.

Измерение ТЭДС с помощью вольтметра В7-34 А:

1. Убедится в том, что термопара подключена к клеммам Hx, Lx

2. Включить тумблер “СЕТЬ” на вольтметре.

3. Включить кнопки:

a) “U=“- измерение постоянного напряжения,

b) “Т₀” -время измерения,

c) “АВП” - автоматический выбор предела измерения.

4. Произвести измерение ТЭДС в вольтах, перевести в милливольты.

5. Определить величину DТ по таблице соответствия; если величина DТ составляет менее ±3 К (±0,12 мв), то можно приступать к измерениям, считая DТ= 0, в противном случае следует обратиться к преподавателю. Так как нагрев до максимального значения DТ=180 К после включения кнопки “Нагрев” на пульте установки будет происходить быстро (в течение 10 минут) следует заранее ознакомиться со всей таблицей соответствия ТЭДС и DТ.

6. Включить тумблер “Сеть” на пульте установки. Убедиться в том, что выключено “Охлаждение”.

7. Включить кнопку “Нагрев”. Через каждые 20 К фиксировать в таблице показания индикаторов n в делениях шкалы до значения DТ=180 К.

8. Выключить “Нагрев”. При необходимости включить “Охлаждение”.

9. Перейти к пункту 5 Порядка проведения работы.

ТЭДС, мВ	0,00	0,80	1,61	2,43	3,26	4,10	4,92	5,73	6,53	7,33
DТ, К

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема установки.

3. Формула расчета a_L.

4. Таблица с результатами.

5. Расчет погрешности определения a_Lдля инвара.

6. Графики зависимости DL от DT для всех образцов и a_Lот состава сплава (%Ni).

7. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Какова физическая природа теплового расширения кристаллических тел?

2. Как количественно оценивается тепловое расширение материалов?

3. Как зависит a_Lот температуры плавления металлов?

4. Чем объяснить увеличение коэффициента теплового расширения с ростом температуры?

5. Как объяснить природу аномально низкого теплового расширения инварных сплавов?

6. В каких системах сплавов наблюдается аномально низкий a_L?

7. Где используются сплавы с заданными a_L?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл. ХХIV, § I.

2. Лифшиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980, гл. IV.

3. Арзамасов Б.Н. М.: Машиностроение, 1986, гл. 16.

4. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.

Часть 3. Тепловая деформация термобиметалла

Цель работы: исследовать зависимость деформации термобиметалла от температуры.

Содержание работы

Термобиметаллы применяются для изготовления элементов приборов и устройств, чувствительных к изменению температуры (автоматические тепловые выключатели, тепловые реле, реле времени, элементы термометров и регуляторов температур и т.п.).

Термобиметалл представляет собой пластину, состоящую из двух жестко соединенных слоев металлов с резко отличающимися коэффициентами теплового расширения. Слой с большим значением коэффициента теплового расширения принято называть активным, а с малым – пассивным.

При изменении температуры термобиметаллическая пластина упруго изгибается. Стрелу прогиба f_р пластины, свободно лежащей на двух опорах (рис. 1), можно вычислить по формуле

f_р = 3/16·[L²·(a₁ - a₂) / (h₁+h₂)] ·DT,

где L- длина пластины между опорами; a₁, a₂- температурные коэффициенты расширения активного и пассивного слоев; h₁, h₂– толщины слоев; DТ - изменение температуры пластины. Равенство соблюдается, если E₁·h₁²= E₂·h₂², где E₁, E₂- модули упругости материалов слоев.

К термобиметаллу предъявляются следующие требования:

a) отсутствие пластической деформации в рабочем диапазоне температур и нагрузок;

b) высокая чувствительность деформации f к изменению температуры;

c) линейная зависимость деформации от температуры;

d) размерная стабильность и постоянство свойств.

Для реализации этих требований материалы слоев термобиметалла должны иметь по возможности большую разницу между a₁и a₂, высокие пределы упругости и модули упругости, а также должны сохранять неизменной структуру и фазовое состояние в рабочем диапазоне температур.

В термобиметаллах материалом активного слоя может служить сплав железо - никель с содержанием никеля 20.. .25%, который в системе сплавов Fe-Ni имеет наибольший коэффициент теплового расширения a_L= 20·10^-6K^-1. Этот сплав является немагнитным и имеет аустенитную структуру. В качестве активной составляющей в термобиметалле могут использоваться также латуни (сплавы Cu и Zn), например, Л62, Л90.

Материалом пассивного слоя в термобиметаллах чаще всего служит сплав Fe с 36% Ni (36Н), называемый инваром, имеющий в системе сплавов Fe-Ni наименьший коэффициент теплового расширения a_L= 1,5·10^-6К^-1. Термобиметаллы обозначаются символом ТБ и последующими четырьмя цифрами, например, ТБ0921. Первые две цифры отражают величину удельного изгиба (изгиб свободного конца термобиметаллической пластинки длиной 100 мм и толщиной 1 мм при нагревании на 1°С), две последние цифры обозначают коэффициент чувствительности термобиметалла (условная разность коэффициентов теплового расширения активного и пассивного слоев термобиметалла).

В работе измеряется тепловая деформация прогиба f_этермобиметаллической пластины, а также производится расчет прогиба f_р, с использованием теоретической формулы. Производится сравнение расчетной и экспериментальной зависимости прогиба от температуры.

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе представлений о физической природе аномально малого теплового расширения сплавов инварного типа

Рис. 1. Лабораторная установка для измерения деформации термобиметалла

Оборудование и материалы

1. Установка (рис.1) для проведения исследований, в которую входят: термостат 2, кварцевый стержень 5, индикатор 4, термометр 6, опоры 3.

2. Термобиметаллическая пластина (1).

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться со схемой установки, показанной на рис.1.

2. Внести в таблицу 1 исходные температуру опыта t₀и показания индикатора n₀в мм.

Таблица 1

t, °С
n, мм.

3. Включить термостат, фиксировать изменение стрелы прогиба пластины через каждые 20° до 160° С, внося результаты в таблицу 1.

4. На основании полученных данных рассчитать и занести в таблицу 2 величину стрелы прогиба пластины f_э= n_n- n₀и приращения температуры DТ = t_n- t₀.

Таблица 2

DT, K
fэ, мм.
fр,, мм.

5. Построить экспериментальную кривую зависимости f_эот DT.

6. Рассчитать и внести в таблицу 2 величину прогиба f_р. Построить на том же графике расчетную кривую зависимости величины прогиба f_рот DТ в исследуемом интервале температур. При расчетах использовать следующие параметры ТБ пластины:

a₁= 15·10^-6К ^-1; a₂= 1,5·10^-6К ^-1; h₁+h₂=2,4 мм; b= 160 мм.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема установки.

3. Расчетная формула для определения стрелы прогиба f термобиметаллической пластины.

4. Заполненная таблица 2.

5. График зависимости f_эи f_рот DT.

Контрольные вопросы

1. Что называется термобиметаллами?

2. Из каких материалов изготовляются пассивный и активный слои термобиметалла?

3. Какие основные требования предъявляются к термобиметаллу?

4. Какими параметрами оценивается температурная чувствительность термобиметалла?

5. Какие напряжения возникают вблизи границы соединения слоев термобиметалла?

6. Где применяются термобиметаллы?

Литература

1. Пятин O.K. Материалы в приборостроении и автоматике. - М.: Машиностроение, 1969, гл. 5, с.301, 317—321.

2. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. - М.: Машиностроение, 1953, с. 127.