Спосіб експериментального встановлення високотемпературних властивостей матеріалів

Реферат: UA 88216 U UA 88216 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до експериментальної фізики, машинобудування, космічної техніки та ін. галузей. Найбільш близьким за своєю сутністю до запропонованої корисної моделі є стандартні методи вимірювання властивостей матеріалів [1]. Недоліком порівнюваного способу дослідження експериментальних властивостей є недостовірність отриманих даних в результаті швидкої зміни температурного поля на поверхні та в середині зразка при його переміщенні у нормальні температурні умови роботи експериментального пристрою для вимірювання властивостей. Задачею корисної моделі є вдосконалення способу отримання значень експериментальних властивостей матеріалу при високих температурах з мінімізацією зміни температурного поля досліджуваного зразка для використання пристрою дослідження властивостей матеріалів, який працює в нормальних умовах експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб експериментального встановлення високотемпературних властивостей матеріалів, який включає використання порошкових або керамічних матеріалів для теплоізоляції зразка, що виникає в результаті його екранування, згідно з корисною моделлю, швидкість охолодження досліджуваного зразка незначно змінюється за період дослідження властивостей за рахунок теплоізоляції, що призводить до зменшення швидкості охолодження внаслідок впливу навколишнього середовища і дозволяє застосовувати обладнання використовуване для випробувань у нормальних температурних умовах. Переваги запропонованого способу експериментального встановлення високотемпературних властивостей матеріалів полягають у тому, що запропонований спосіб дозволяє використовувати стандартне обладнання для дослідження властивостей матеріалу при нормальних температурних умовах, підвищувати точність отримання експериментальних даних за рахунок моделювання умов, при яких необхідно отримати ці дані, збільшувати час на отримання експериментальних даних при високих температурах та здешевлювати вартість проведення експериментальних робіт. При швидкому перенесенні у випробувальний пристрій нагрітого зразка розміщеного у теплоізоляційну оболонку, виконують стандартні випробування його властивостей. За рахунок теплоізоляції зразка від навколишнього середовища температурне поле зразка міняється незначно, що дозволяє провести вимірювання властивостей без впливу можливих фазових та структурних перетворень при мінімальній різниці температур випробування по відношенню до реальних високотемпературних умов експлуатації матеріалу. На фіг. 1 показано схему запропонованого способу вимірювання для встановлення температури зразка 1 при випробуваннях. Зразок розміщується у керамічній трубці або у трубці 2 з теплоізоляційним наповнювачем 3 (наприклад з оксидом цирконію). Температура нагріву контролюється радіаційним пірометром. Приклад конкретного використання. Досліджуються фізичні, електричні, механічні, технологічні та службові властивості зразків з таких тугоплавких матеріалів, як вольфрамові сплави марок ВА, ВА1А, ВЛ при високих температурах (приблизно 1500-1700 °C). Як теплоізоляційний матеріал поверхні зразка використовується оксид цирконію (ZrO 2), який розміщується у порошкоподібному виді у теплоізоляційну трубку або теплоізоляційне ложе (напівциліндр). Стандартний зразок нагрівається разом з теплоізоляційною трубкою з оксидом цирконію у печі. Розглянемо модель передачі тепла у нагрітому циліндричному зразку. Для вольфрамового стержня довжиною  110 мм і Ø10 мм, нагрітого до температури 1200 °C, досліджувалися l зміни його температури від часу з моменту вилучення з печі пірометром мод. DT-9862 з діапазоном вимірювання температур -50…+2200 °C і показником візирування 50:1. Отриману залежність представлено на фіг. 2, а. Аналогічно встановлена залежність температури нагріву зразка у часі для термоізольованого зразка (див. фіг. 2, б). В результаті теоретичного аналізу і експериментальних досліджень отримано залежності, які описуються рівнянням (1). Для зразка без теплоізоляції температура зменшувалася з 1200 °C до 1050 °C за 22 с (див. фіг. 2, а), а для зразка з додатковою теплоізоляцією зменшення температури в тих же межах відбувається за 90 с. Таким чином, уповільнення часу охолодження досліджуваного зразка у цьому діапазоні температур більше, ніж у 4 рази дозволяє: 1) з більшою точністю виконувати заміри властивостей нагрітого матеріалу при проведенні випробувань на обладнанні, які працює при кімнатних температурах; 2) покращувати достовірність отриманих результатів; 3) збільшувати час на проведення досліджень з нагрітим зразком. 1 UA 88216 U Зміна у часі t  температури циліндра (7) описується нестаціонарним рівнянням теплопровідності у циліндричній системі координат: T  1  T 1  2T  2T  ,   R   t  R R R R 2 2 z2    5 (1) де R - радіус зразка (м), k - коефіцієнт теплопровідності  Bm  , c - питома теплоємність    м  С  k - коефіцієнт температуропровідності  м2  .  Дж  , - густина  кг  ,    3        c  c   кг  С  м    Процес моделюється розв'язком рівняння для нескінченно довгого циліндра і не залежить від кута напряму   : 10 15 20 T 1   T  .  R  t R R  R  Частковим розв'язком рівняння для температури T в центрі стержня R  0 буде, з врахуванням початкових умов: To  Tn; T  Tк , де Tn - температура, нагрітого в печі зразка, Tк - кімнатна температура. В результаті отримуємо: T t   Tn  Tк   e  At  Tк , де A - константа, яка в основному залежить від теплофізичних властивостей середовища, що оточує зразок A ~ k . cR 2 Для вихідних умов задачі вольфрамовий стержень довжиною l=110 мм і Ø10 мм при Tn  1200C, Tк  20C : умови нагріву без теплоізолюючого покриття 3 T  1180  e 6,210 t  20 , умови нагріву з теплоізолюючим покриттям 3 25 30 35 40 T  2280  e 1,510 t  20 . Отримані дані свідчать, що можна проводити вимірювання властивостей без впливу фазових та структурних перетворень при мінімальній різниці температур випробування по відношенню до реальних високотемпературних умов експлуатації матеріалу. Техніко-економічна ефективність корисної моделі. Використання способу експериментального встановлення високотемпературних властивостей матеріалів можливо без залучення вартісного обладнання для збереження температури нагрітого матеріалу. Фактично встановлення експериментальних даних при дослідженні зразка виконується на стандартному обладнанні застосовуваному при кімнатних температурах. Крім цього підвищується точність отримання експериментальних даних за рахунок моделювання умов, при яких необхідно встановити експериментальні дані та збільшується час на отримання експериментальних даних при збереженні високих температур. Все це у цілому значно здешевлює проведення експериментальних робіт. Відсутність витрат на дороге обладнання для високотемпературних випробувань та збільшення точності вимірювань дозволяє економити за самими попередніми оцінками 1,7 тис. грн. на одне вимірювання. Фактична економія на території України складе не менше 6,8 млн. грн. в рік. Корисна модель може бути використана для визначення точних експериментальних даних у галузі експериментальної фізики, машинобудуванні, космічній техніці та ін. галузях. Джерело інформації: 1. Богомолова Н.А. Практическая металлография / Богомолова Н.А. - М.: Высшая школа, 1982. - 272 с. - прототип. 2 UA 88216 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб експериментального встановлення високотемпературних властивостей матеріалів, який включає використання порошкових або керамічних матеріалів для теплоізоляції зразка, що виникає в результаті його екранування, який відрізняється тим, що швидкість охолодження досліджуваного зразка незначно змінюється за період дослідження властивостей за рахунок теплоізоляції, що призводить до зменшення швидкості охолодження внаслідок впливу навколишнього середовища і дозволяє застосовувати обладнання використовуване для випробувань у нормальних температурних умовах. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3