ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Способы теплового воздействия на исследуемый образец и системы регулирования температуры из "Тепловая микроскопия материалов " При исследовании строения и свойств металлов и сплавов в широком диапазоне температур в вакууме или в защитных газовых средах нагрев образцов до заданных температур осуществляется различными методами, которые в первом приближении можно разделить на две группы. К первой группе следует отнести способы, при использовании которых нагрев производится внешними источниками тепла, передающими тепловую энергию образцу за счет радиационного излучения или теплопроводности. Во вторую группу входят методы нагрева за счет теплового действия электрического тока. [c.72] На графике рис. 31 представлен характер изменения излучения в диапазоне 500—3000 К абсолютно черного тела (кривая /), а также, по данным Рибо [16], значения для графита от 1000 до 2000° С (кривая 2), вольфрама от 1000 до 3000° С (кривая 3) и молибдена от 1000 до 2600° С (кривая 4). [c.73] По графику рис. 31 можно ориентировочно определять значение удельного излучения различных материалов, наиболее часто применяемых для изготовления нагревателй, и по формуле (22) вводить соответствующие коррективы с учетом температуры образца. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что разность температур нагревателя и образца увеличивается по мере повышения скорости нарастания температуры нагревателя и определяется условиями передачи тепловой энергии. Эта разность повышается по мере роста расстояния между нагревателем и образцом, а также при наличии между ними тепловых экранов или барьеров. Например, при выполнении элементов установок для тепловой микроскопии по схеме, изображенной на рис. 30, а, корпус вакуумной камеры 4 служит барьером для теплового потока от нагревателя к нагреваемому образцу. Перепад температур при нагреве исследуемых объектов в диапазоне 900—1200° С в этом случае составляет около 150 град при диаметре нагревателя 50 мм и диаметре кварцевого корпуса 40 мм (с толщиной стенок около 2 мм). В отсутствие экранирующего барьера в тех случаях, когда прибор выполняется с нагревателем, размещенным внутри вакуумной камеры, величина перепада температур снижается. [c.73] По схеме, представленной на рис. 30, е, нагрев образца / производят за счет теплового излучения от нагревателя 3, помещенного внутри вакуумной камеры и выполненного из материала, обладающего высокой температурой плавления. При выборе материала нагревателя нужно учитывать требуемую максимальную температуру нагрева образца. В тех случаях, когда непосредственный контакт образца с нагревателем недопустим (из-за возможности образования эвтектики, приводящей к расплавлению материала образца или нагревателя, а также к развитию взаимной диффузии контактирующих материалов), применяют термоизоляцию нагревателя, обозначенную на рис. 30, в цифрой 4. В нашей практике вольфрамовый нагреватель покрывали гонким слоем окиси алюминия до помещения образца в вакуумную камеру. При этом использовали рецептуру и методику, применяемые в радиоламповом производстве для термоизоляции нити подогрева радиоламп от их трубчатого никелевого катода. [c.74] Показанная на рис. 30, г схема иллюстрирует расположение образца / в рабочей камере 2 при его нагреве электрической печью 3, обмотка которой расположена снаружи камеры. В этом случае нагрев происходит за счет передачи тепловой энергии от элeкfpичe кoй печи к образцу путем теплопроводности, возникающей благодаря тепловому контакту, но значительное блияние оказывает также радиация тепла с поверхности нагретого корпуса. [c.74] В рассмотренных выше устройствах, где тепловая энергия передается внешними источниками тепла, можно нагревать образцы из любых материалов и В зависимости от требований эксперимента одновременно несколько йбразцов. [c.74] При контактном электронагревателе предельное значение температуры образца ограничивается только возможностью расплавления токоподводов и самого материала образца. В установках рассматриваемого типа необходимо обеспечивать надежный контакт в зоне токоподвода. [c.75] На рис. 30, д изображена схема контактного электронагрева образца 1 (имеющего форму стержня) в цилиндрической рабочей камере 2. Образец жестко укреплен в зажимах 3 и 4. Зажим 3 неподвижно расположен на электроде 5, а зажим 4 присоединен к токоподводящему электроду 6 через гибкие медные шины 7, которые предотвращают деформацию образца при неизбежных его объемных изменениях в процессе нагрева и охлаждения. Массивная медная накладка 8 служит для присоединения гибких шин 7 к электроду 6. В участках ввода в рабочую камеру электроды 5 и 6 снабжаются герметизирующим и изолирующим уплотнениями и выполняются полыми (охлаждаемыми изнутри проточной водой). [c.75] Индукционный нагрев [17—19] дает возможность осуществить бесконтактную передачу электромагнитной энергии от индуктора к металлическому образцу на расстояние, обычно не превышающее несколько сантиметров. Этот способ высокочастотного нагрева особенно эффективен при исследовании массивных образцов и может использоваться в ряде установок для тепловой микроскопии. [c.75] При нагреве до 1000° С глубина проникновения тока в аустенитную сталь такая же, как и для низколегированной конструкционной [формула (25)]. Как следует из формул (23)—(26), глубина проникновения тока изменяется обратно пропорционально корню квадратному из частоты тока /. [c.76] Для осуществления индукционного нагрева с достаточно высоким к. п. д. необходимо, чтобы соотношение между диаметром образца D и глубиной нроникновения тока р лежало в пределах D р = 4—30. При этом может быть достигнута высокая концентрация электрической энергии в малом объеме и осуществлен скоростной нагрев образцов. Например, при диаметре стального образца D = 10 мм глубина проннкновения тока может составлять (как следует из приведенного выше равенства) от 1 до 2,5 мм. При этом диапазон рекомендуемых частот равен 58 ООО—3 600 ООО Гц. [c.76] Для индукционного нагрева образцов диаметром около 10 мм питание подается от ламповых генераторов токов высокой частоты. Необходимая мощность генератора определяется размерами образца и требуемой температурой нагрева. При исследованиях методами тепловой микроскопии для нагрева могут быть использованы генераторы мощностью около 10 кВт, изготовляемые серийно Ленинградским заводом высокочастотных установок. [c.76] На рис. 30, е изображена схема индукционного нагрева металлического образца 1, прикрепленного к стойке 2 рабочей камеры, образованной керамическим корпусом сЗ образец находится в электрическом поле индуктора 4. Воздух и газы откачиваются из корпуса рабочей камеры. Для охлаждения керамического корпуса, особенно при длительном высокотемпературном нагреве образцов, служит наружный сосуд из плексигласа, снабжаемый штуцерами для подачи и отвода охлаждающей жидкости, пропускаемой по зазору между корпусом 3 и сосудом. Нагревательный индуктор может иметь форму многовитковой цилиндрической спирали. [c.76] Подробности расчета и техники проведения высокочастотного индук-76 ционного нагрева детально описаны в работе [17]. [c.76] Применением электронагрева можно обеспечить очень высокую скорость повышения температуры, достигающую десятков тысяч градусов в минуту. [c.77] Однако следует иметь в виду, что при испытаниях на растяжение подвергаемых электронагреву образцов вследствие возникновения в теле образца микро- и макротрещин плотность тока перераспределяется, и в результате неизбежного образования локальных перегревов может ускориться разрушение. Однако если все образцы исследуют при одинаковых способах электронагрева, сравнительные экспериментальные данные позволяют получать надежные сведения о влиянии легирования, условий обработки и других факторов на сопротивление деформации. [c.77] Выбор способа нагрева для изучения строения и свойств материалов в широком интервале температур в вакууме или в инертных газовых средах определяется главным образом целью проводимых изысканий и природой исследуемых материалов. [c.77] Если исследуемые образцы являются плохими проводниками электрического тока (полупроводниками или диэлектриками), целесообразно использовать способы, показанные на рис. 30, а—з. При изучении температурной зависимости твердости металлических материалов методом вдавливания в поверхность образца алмазного или сапфирового индентора в нашей практике успешно применяются методы нагрева, схемы которых изображены на рис. 30, бив. Микростроение металлов и сплавов при их нагреве и растяжении в вакууме или в защитных газовых средах можно изучать при радиационном нагреве (см. рис. 30, б), а также при контактном электронагреве (см. рис. 30, д). [c.77] При исследовании, например, термической усталости материалов, а также при наблюдении кинетики полиморфных превращений и других явлений важно не только нагреть образец, но и охладить его с требуемой скоростью. При радиационном нагреве скорость охлаждения образца определяется тепловой инерцией системы нагреватель—образец и может колебаться от нескольких до сотен градусов в минуту. Образцы, подвергаемые контактному и индукционному нагревам, охлаждаются со значительно более высокими скоростями, зависящими от их массы. Например, после прекращения пропускания электрического тока через образец, нагретый до 1200° С и имеющий активное сечение 9 мм , в течение первых 5 с снижение температуры происходит со средней скоростью около 50 град/с. Примерно с такой же скоростью охлаждаются образцы, нагреваемые индукционным способом. [c.77] Повысить скорость охлаждения образца можно продувкой рабочей камеры установки холодным инертным газом скорость охлаждения при этом может составлять 100 град/с. [c.77] Вернуться к основной статье