Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

выми превращениями; в результате получается лишь суммарное изменение длины образца при изменении температуры. Этот недостаток свойственен всем методам, в которых отсутствует непрерывная регистрация процесса теплового расширения.

К достоинствам метода следует отнести относительную простоту, возможность точного непосредственного измерения теплового расширения при высоких температурах.

Интерференционный метод

Интерференционный метод определения теплового расширения основан на интерференции света в зазоре между двумя параллельными отражающими поверхностями, расстояние между которыми изменяется в соответствии с тепловым расширением исследуемого образца.

Схема подобного прибора представлена на рис. 10.2. Образец 4 представляет собой либо кольцо, либо состоит из двухтрех отдельных частей одинаковой длины. В обоих случаях противоположные плоские стороны образцов должны быть строго параллельны и хорошо отполированы.

Образец помещают между двумя тщательно полированными прозрачными пластинками 3 из плавленого кварца. Контакт между пластинами и образцом должен быть плотным и неизменным во время опыта. Внешняя плоскость верхней пластины обычно имеет наклон относительно нижней, равный приблизительно 20', чтобы предотвратить попадание в поле зрения отражающихся от нее лучей; с этой же целью нижнюю поверхность второй кварцевой пластины делают матовой. Луч света падает на верхнюю кварцевую пластинку перпендикулярно ее внутренней поверхности. При нагреве всей сборки (с!на-зец и кварцевые пластины) в печи изменяется зазор между внутренними поверхностями кварцевых пластин, при этом

476

Интерференционный метод позволяетопределять изменение длины при тепловом расширении порядка 0,02— 0,03 мкм. Погрешности при работе в вакууме не превышают 1%.

Основным преимуществом метода является возможность исследования теплового расширения на образцах малой толщины (2—3 мм) с достаточной точностью. К недостаткам относится необходимость визуального наблюдения (хотя имеются работы, в которых смещение полос фотографировалось на движущейся киноленте, а также сложность аппаратуры, требующая высокой квалификации экспериментатора, и возможность случайных ошибок. Метод применяется при температурах испытания не выше 1000 °С.

Рентгеновский метод

Рентгеновский метод определения коэффициентов теплового расширения кристаллических веществ основан на взаимосвязи изменения параметров кристаллической решетки вещества с изменением макроскопических размеров тела. Вместо относительного удлинения образца при изменении температуры в этом случае определяется относительное увеличение параметра кристаллической решетки. Большая разрешающая способность метода позволяет на современном оборудовании измерять параметры решетки с точностью до 0,0001 А, а так как величина большинства параметров решетки металлов имеет порядок нескольких ангстрем, то точность определения коэффициента расширения можно считать равной (в оптимальном варианте) 1—2 %.

Для прецизионного определения параметров кристаллической решетки поликристаллов обычно применяют камеры Дебая или пользуются обратной съемкой (камеры РКЭ, КРОС).

Параметры решетки определяют при температурах Т1, Т2, Тn, а затем рассчитывают по относительному изменению пара-

478

метров решетки коэффициенты теплового расширения в данном температурном интервале Т1-Т2 и т. д.

где — коэффициент линейного расширения в направлении

Коэффициенты теплового расширения можно рассчитывать также и не измеряя непосредственно параметры решетки по значениям углов отражения Т, соответствующих определенным температурам.

На основании уравнения Вульфа — Брэгга

где d — межплоскостное расстояние для семейства плоскостей (hkl); п — порядок отражения от плоскостей (hkl); > — угол отражения луча; — длина волны рентгеновских лучей, можно вычислить коэффициент линейного расширения в интервале Т1 — Т2

В этом случае при различных температурах определяют углы отражения и по ним вычисляют соответствующие данному температурному интервалу коэффициенты линейного расширения для данной выбранной кристаллографической плоскости измерения. Для анизотропных кристаллов по известным кристаллографическим плоскостям рассчитывают коэффициенты линейного расширения вдоль главной оси и по направлению, перпендикулярному главной оси . Вычислив

479

объемный коэффициент расширения как указано выше, определяют по нему средний коэффициент линейного расшире-

ния для данного кристалла 13 .

Основными достоинствами рентгеновского метода являют-

ся:

- возможность исследования анизотропии теплового расширения кристаллических материалов некубических систем;

-использование для измерений очень небольших образцов;

-большая разрешающая способность метода, позволяющая измерять очень малые коэффициенты расширения, что дает возможность производить исследования в области низких температур.

Кнедостаткам рентгеновского метода следует отнести сложность аппаратуры, трудности, связанные с проведением прецизионных измерений параметров решетки в области высоких температур. Метод не может быть использован для некристаллических материалов.

10.3.2. Относительные методы

Относительные (дифференциальные) методы определения коэффициентов линейного расширения основаны на сравнении теплового расширения образцов исследуемого материала с расширением эталона с известным и постоянным коэффициентом линейного расширения.

Эти методы получили широкое распространение в лабораторной практике. Их применяют как для определения характеристик теплового расширения, используемых в инженерных расчетах, так и для исследования фазовых превращений.

Большинство относительных методов основано на применении так называемого метода трубки (см. рис. 10.3). В этом случае сравнивают тепловое расширение образца 2 из исследуемого материала с тепловым расширением трубки 1, в которой он помещается.

480