Фізичні властивості та методи дослідження

1

Фізичні властивості та методи дослідження

1.Ефект Зеєбека та його застосування для вимірюваня температури.

2.Типи пирометрів.

3.Яскравісна, кольорова та радіаційна температури.

4.Фізична сутність теплового розширення твердих тіл. Температурний коефіцієнт лінійного та об’ємного розширення.

5.Типи дилатометрів.

6.Теплопровідність матеріалів.

7.Методи кількісної металографії.

8.Твердість та мікротвердість матеріалів.

9.Температурна залежність провідності металів.

10.Фізичні величини, що описують магнітне поле в середовищі. 11.Типи магнетиків (поділ за магнітною сприйнятливістю).

12. Фізичні явища, які спостерігаються при внесенні діата пара-магнетиків у магнітне поле.

13.Природа феромагнетизму.

14.Петля гістерезису.

15.Магнітотверді та магнітом’які матеріали.

16.Структурно чутливі та структурно не чутливі фізичні величини, що характеризують магнітне поле у середовищі. Застосування вимірювання цих величин в металознавстві.

1. Ефект Зеєбека та його застосування для вимірюваня температури

Ефект Зеєбека - в електричному колі, що складається із послідовно з’єднаних різних провідників, виникає термоЕРС, якщо в місцях контактів підтримується різниця температур. В простішому випадку, коли таке коло складається з двох різних провідників, воно називається термопарою. ТермоЕРС термопари залежить від температури вімірюваного і вільного спаю та від складу матеріалу провідників, що утворюють термопару.

Термоелектрику відкрив Зеєбек ще в дводцятих роках ХІХ ст. Для її спостереження до мілівольтметра досить приєднати дві мідні дротини і замкнути їх дротиною з іншого матеріалу, наприклад, заліза. Поки температура обох спаїв однакова, мілівольтметр не виявляє ніякої термоЕРС. Але при нагріванні одного із спаїв у колі виникає термоЕРС і стрілка мілівольтметра відхиляється. Якщо нагрітий спай охолодити і потім нагріти другий спай, то знак термоЕРС змінюється і стрілка мілівольтметра відхиляється в другий бік.

Зеєбек розрахував, що кут, на який повертається стрілка пов’язаний із величиною різниці температур у колі.Це явище отримало назву «ефекту Зеєбека» і математично його можна записати у вигляді:

E AB = S AB ∆T

де S AB – коефіцієнт термо-ЕРС (коефіцієнт Зеєбека), ΔT – градієнт температури.

3

В цветовых пирометрах, применяемых для промышленных измерений, определяется отношение спектральной энергетической яркости (СЭЯ) реального тела в лучах двух заранее выбранных длин волн, т. е. показания пирометра являются функцией .

Пирометры полного излучения (радиационные)

Пирометры полного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными (или радиометрами).

Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана.

–відносяться до безконтактних приладів вимірювання температури. Це оптичні прилади, які основані на дії світлового випромінювання, яке виникає при нагріванні тіл, на електричні властивості матеріалу приймального пристрою. Тому пірометри працюють в оптичному діапазоні спектра. Оскільки інтенсивність світлового випромінювання різко зменшується при зниженні температури тіл, то пірометри застосовують головним чином для вимірювання високих температур більших за 1000оС. Для температур більших ніж 3000оС пірометри залишаються майже єдиними приладами для вимірювання. Це пов’язано з тим, що не потребується контакт датчика приладу з тілом, температура якого вимірюється.

Яскравісними пірометрами вимірюється інтенсивність монохроматичного випромінювання, колірними пірометрами визначається відношення інтенсивностей випромінювання тіла на двох різних довжинах хвиль. Радіаційні пірометри вимірюють сумарну інтенсивність випромінювання.

Найбільш поширеними є яскравісні пірометри, які забезпечують найбільшу точність в діапазоні 1000-1000 К При низьких температурах 100 К більш ефективними є радіаційні пірометри.

3. Яскравісна, кольорова та радіаційна температури

Пірометри - безконтактні датчики температури, які реєструють випромінювання виходить від нагрітих тіл.

Залежно від типу пірометра розрізняється радіаційна, яркісна і колірна температури.

Радіаційною температурою реального тіла Тр називають температуру, при якій повна потужність абсолютно чорного тіла (АЧТ) дорівнює повній енергії випромінювання даного тіла при дійсній температурі Тд.

4

Під абсолютно чорним тілом розуміють фізичне тіло, яке при будь-якій температурі повністю поглинає все падаюче на нього електромагнітне випромінювання незалежно від довжини хвилі.

Яркісною температурою реального тіла Тя називають температуру, при якій щільність потоку спектрального випромінювання АЧТ дорівнює щільності потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (чи вузького інтервалу спектра) при дійсній температурі Тд.

Колірною температурою реального тіла Тк називають температуру, при якій відношення густини потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль і дорівнює відношенню густини потоків випромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд.

4. Теплове розширення твердих тіл.

Метали і сплави як правило розширюються при нагріванні і звужуються при охолодженні. Розширення чи звуження твердого тіла –зміна міжатомної відстані гратці.

Припускаємо, що атом В-рухається, а атом А не змінює свого положення. При Т2 Т1. Об'ємне теплове розширення характеризується температурним коефіцієнтом об'ємного розширення

1 dV

V dT

ТКОР і позначається β, V - об'єм.

Для ізотропних матеріалів α1=α2=α3 β = 3α

Термічне розширення некубічних анізотропних кристалів-анізотропно

Β=α1+α2+α3

Де αі-це ТКЛР уздовж головних осей кристалу.

Zn ГЩУ60K α1 =α2 =2·10-6 K-1 α=55·10-6 K-1

5

Температурний коефіцієнт лінійного та об’ємного розширення.

Лінійне теплове розширення

Коефіцієнт лінійного теплового розширення визначається як відношення зміни лінійних розмірів матеріалу до зміни температури. Отже, це відносна зміна довжини на градус зміни температури. Знехтувавши тиском, можна записати:

де L - лінійний розмір (наприклад, довжина) і dL / dT - зміна лінійного розміру на одиницю зміни температури.

відносна зміна лінійного розміру, котра може розглядатись як відносна деформація, може бути записана:

Це рівняння добре працює до тих пір, поки можна вважати коефіцієнт лінійного розширення сталим в діапазоні температур T. Якщо коефіцієнт лінійного розширення змінюється, то рівняння слід інтегрувати.

Об'ємне теплове розширення

Для твердих, можна знехтувати впливом тиску на матеріал, і об'ємний коефіцієнт теплового розширення може бути записаний

де V - об'єм матеріалу, і dV / dT інтенсивність зміни об'єму із зміною температури.

Це означає, що приріст об'єму буде відбуватись за деякою фіксованою пропорцією. Наприклад, сталевий блок з об'ємом 1 м³ може розширитися до 1,02 м³, при підвищенні температури на 50 К. Це розширення 2%, або 0,04% на кожен К. Якщо ми знаємо коефіцієнт теплового розширення, ми можемо розрахувати величину об'єму тіла при зміні температури.

У розглянутому вище прикладі вважається, що коефіцієнт температурного розширення не залежить від температури. Для невеликих змін температури це є задовільним наближенням, хоча це не завжди вірно. Якщо коефіцієнт об'ємного розширення суттєво змінюється з температурою, то рівняння повинні бути проінтегровані:

6

тут T0 - початкова температура і αV(T) коефіцієнт об'ємного теплового розширення як функція температури T.

5. Типи дилатометрів

Дилатометрія – метод вимірювання лінійних розмірів і об'єму твердих тіл і їх зміни, при зміні температури або часу.

Дилатометри – це прилади для вимірювання розмірів твердих тіл. Дилатометри за конструкцією і призначенням умовно поділяються на групи:

1)оптично-механічні

2)інтерференційні

3)електронні з індукційними або ємнісними індикаторами

Дилатометричні прилади.

Прилади можна поділити на абсолютні і диференційні дилатометри.

Результати вимірювань представляють у вигляді залежності зміни лінійних розмірів або об'єму від температури або часу.

Кварцові, рентгенівські дилатометри, дилатометр с котком, ємнісний дилатометр. Дилатометр Шевенара

6.Теплопровідність матеріалів.

Теплопровідність – це властивість тіла проводити тепло. З іншого боку теплопровідність – це процес переносу теплоти від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, який призводить до вирівнювання температури.

Теплопровідність називається стаціонарною, якщо різниця температур T, що її викликає, зберігається незмінною. Якщо T не є постійною, то то теплопровідність називається нестаціонарною.

Теплопровідність твердих тіл (непровідників).

Теплопровідність твердих тіл має різну природу. В діелектриках, які не мають вільних електричних зарядів переніс енергії теплового руху здійснюється фононами. Фонони – це квазічастинка, це квант пружної хвилі зміщень атомів (іонів, молекул) кристалу з положення рівноваги. У твердих діелектриків = c<v><l>, де c – теплоємність діелектрика, <v> - середня швидкість фононів, яка приблизно дорівнює швидкості звуку, <l> - середня довжина вільного пробігу фононів. Обмежене значення <l> є слідством розсіяння фононів на фононах, дефектах кристалічної будови. Температурна залежність теплопровідності визначається залежністю від температури c і <l>.

Механізм теплопровідності у напівпровідниках є більш складним, ніж у діелектриках, тому що в них є суттєвими і електронний внесок е і фононний внесок

7

ф. Крім того, в напівпровідниках внесок в теплопровідність дають домішки і інші чинники.

Теплопровідність металів.

Теплопровідність металів визначається двома внесками: фононами і електронами. В загальному вигляді коефіцієнт теплопровідності для металів можна записати, як суму граткової фононної ф і електронної е складових:

При звичайних температурах для металів е >> ф. Наприклад, для 300 К повна теплопровідність Cu = 400 Вт·м-1·К-1 , а граткова фононна ф = 5 Вт·м-1·К-1, а

для 10 К = 18000 Вт·м-1·К-1 , а ф = 12-35 Вт·м-1·К-1.

В Табл.. 1 наведено значення теплопровідності чистих металів для 273 К.

Таблиця 1

Теплопровідність в сплавах.

Домішки в сплавах подавлюють електронну компоненту теплопровідності, зменшуючи довжину вільного пробігу електронів, але слабо впливають на граткову компоненту. Ця компонента визначається головним чином фонон-фононною і електрон-фононною взаємодією. Тому граткову компоненту в повній теплопровідності для сплавів мажна визначити точніше, ніж в чистих металах. Поперше, тому, що в сплавах вона більша, по-друге, електронну складову теплопровідності в сплавах можна оцінити з більшрю точністю, використовуючи результати вимірювання електропровідності. Найпростіший спосіб визначення граткової компоненти чистого металу полягає в екстраполяції результатів вимірювання для сплавів різного складу до нульової концентрації домішок.

В ряду безперервних твердих розчинів теплопровідність знижується із збільшенням проценту легуючого елементу. Мінімум теплопровідності сплавів, як правило, відповідає 50 ат% , а її величина може бути в декілька разів нижче за теплопровідність компонентів. Приклад для сплаву золота з сріблом Ag-Au показано на Рис. 3.

При утворенні гетерогенних структур залежність теплопровідності від об’ємної концентрації майже лінійна.

8

7.Методи кількісної металографії.

Кількісна металографія (стереометрична металографія, стереологія) – система методик дослідження, що кількісно оцінюють геометричні параметри просторової мікроскопічної будови металів і сплавів по вимірюваннях на плоских перетинах.

При металографічному аналізі структури її можна охарактеризувати одним з трьох методів: якісним (описовим); напівкількісним (за допомогою умовних чисел

– балів) і кількісним. Якісним методом металографії є опис фаз, видимих на поверхні мікрошліфа, рівномірність їх розподілу на поверхні, наявність пор та інших несуцільностей, тощо.

Найчастіше в практиці зустрічаються два завдання кількісної металографії: визначення розмірів зерен і визначення відносного об'єму структурних складових в матеріалі.

Якісні методи дослідження структури дозволяють описати насамперед тип, форму, розмір і взаємне розміщення виявлених фаз і структурних складових.

Кількісне дослідження структури поділяється за двома напрямками:

-дослідження певних механічних або фізичних властивостей з кількісним визначенням хімічного складу окремих фаз або структурних складових. Для цієї мети застосовуються, наприклад, такі методи, як вимірювання мікротвердості або електронно-променевий мікроаналіз;

-вивчення кількісних характеристик просторової будови структури шляхом вимірювання чисельних параметрів мікроскопічного зображення. У загальному випадку цей напрямок називається кількісною металографією.

Основні операції кількісної металографії – підрахунок, вимірювання та класифікація елементів, що знаходяться в полі зору. Результатом можуть бути, зокрема, кількісні параметри зерна або об'ємні частинки різних фаз у структурі сплаву. Кількісна металографія використовується як стандартний метод визначення якості продукції в металургійній і в все більшому обсязі в металообробній промисловості.

9

8.Твердість та мікротвердість матеріалів.

Твердість (англ. Hardness, фр. Dureté, нім. Härte) — властивість матеріалу опиратися проникненню до нього іншого, твердішого тіла.

Найтвердішим із існуючих сьогодні матеріалів є ультратвердий фулерит (приблизно в 1,17—1,52 разів твердіший за алмаз. Однак це матеріал доступний лише у мікроскопічних кількостях. Найтвердішим з поширених речовин є алмаз (10 одиниць за шкалою Мооса, див. нижче).

Мікротвердість, твердість окремих ділянок мікроструктури матеріалу.

Вимірюється втискуванням діамантової піраміди під навантаженням менше 2 н (200 гс ) . Розміри відбитку визначають під мікроскопом, а потім по спеціальних таблицях перераховують на т.з. число твердості — відношення навантаження до площі поверхні відбитку. Прилад для визначення М. забезпечує можливість вибору ділянки мікроструктури, де буде вироблено втискування; завдяки цьому, а також унаслідок малих розмірів відбитку можна вимірювати М. кристалів окремих фаз або різних ділянок зерна. Дані о М. використовують для вивчення неоднорідності розподілу розчинних домішок по зерну, дослідження пластичної деформації, побудови діаграм фазової рівноваги і так далі.

9. Температурна залежність теплопровідності в металах.

Теплопровідність немонотонно залежить від температури, що пов’язано з різним внеском електронної і фононної складової при різних температурах іі дефектів кристалічної будови.

При низьких температурах близьких до абсолютного нуля теплопровідність визначається чистотою метала і формою зразка. Вона зростає із збільшенням температури аналогічно до теплоємності. При певній температурі зріст теплопровідності припиняється. Наприклад для Cu це спостерігається при 10-15 К. Зміна напрямку теплопровідності наступає тоді, коли стають помітними процеси розсіяння електронів на коливаннях гратки і зменшується довжина вільного пробігу електронів. При подальшому підвищенні температури теплопровідність плавно падає за рахунок сильного впливу цієї електрон-фононної взаємодії. Положення максимуму на кривій визначається дефектністю кристалу і наявністю домішок.

Число Лоренца (L0= е/ Т, (5)) взагалі не постійне і залежить від температури немонотонно (Рис. 3). В чистих металах при дуже високих температурах у порівнянні з температурою Дебая D (Т/ D >4-10) значення числа Лоренцо близькі до ідеального. При низьких температурах реальне відношення е/ Т стає меншим за ідеальне L0 . При температурах близьких до абсолютної відношення е/ Т знову зростає до L0. Температура, при якій відношення е/ Т приближається до L0 неоднаково для різних металів і сильно залежить від концентрації домішок і кількості дефектів структури.