Измерение термического расширения на спекл-интерференционном дилатометре

А. Б. КРУГЛОВ, В. Б. КРУГЛОВ, М. Ю. ОРЕХОВ, А. В. ОСИНЦЕВ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ
НА СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ ДИЛАТОМЕТРЕ

В работе представлены результаты разработки спекл-интерференционного дилатометра для исследования термического расширения твердых тел при температурах 20 ‑ 100°С. Приведены результаты измерений термического коэффициента линейного расширения образцов из меди, железа Армко, стали 12Х18Н10Т.

Спекл-интерферометры широко применяются в современной экспериментальной практике для исследования деформаций твердых тел [1]. Использование цифровых камер и обработка информации на ПК позволяет использовать спекл-эффект в различных установках, в том числе и в дилатометрах – приборах для измерения термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР).

В разработанном спекл-интерференционном дилатометре луч лазера (LCD ‑ DTL-317, l = 0,532 мкм) направляется на плоскую шероховатую поверхность объектного зеркала О (рис. 1, 2) и опорное шероховатое зеркало О1. В результате отражений от поверхностей зеркал образуются опорное и объектное спекл-поля. Объективом в плоскости ПЗС-матрицы цифровой фотокамеры DCM 130 строится результирующее спекл-поле, которое фиксируется и сохраняется в памяти ПК.

 

При измерениях ТКЛР производится регистрация двух результирующих спекл-структур – до и после нагрева образца на DТ = 1 ‑ 15 градусов. Нагрев осуществляется резистивным нагревателем, установленным на поверхности образца, и фиксируется термопарой. По разностной спекл-интерференционой картине, получаемой с помощью специально разработанной программы, определяется перемещение точки контакта штока 3 с объектным зеркалом. Расчет ТКЛР проводится по формуле

, (1)

где l – длина волны лазера; Dk – количество полос спекл-интерференционной картины, целое или дробное между неподвижными точкам внизу зеркала и точкой контакта штока с зеркалом; DТ – подогрев образца; l0 – длина образца; lк и aк – длина и ТКЛР штоков (стекло КУ – 1, aк = 0,5·10-6 К-1 при Т = 20 0С).

Тарировочные измерения были проведены на образцах из стали 12Х18Н10Т, меди М3, и железа Армко при температурах 20 – 40 0С. Образец из железа Армко длиной l0 = 8,20 мм моделировал в тарировочных измерениях образцы ядерного топлива, для которых характерны значения ТКЛР a = (7 – 10)·10-6 К-1 и длины l0 = 8 ‑ 10 мм.

ТКЛР исследованных образцов (aи) и данные известные из литературы (aс) представлены в таблице. Полученные на дилатометре результаты согласуются с литературными данными с погрешностью, не превосходящей 5%.

Образец	aи, 10-6,К-1	aс, 10-6, К-1, [2]	Da/a, %
Ст. 12Х18Н10Т	16,1	16,2	< 1
Железо Армко	l0 = 13,85 мм	11,4	11,7	< 2,5
l0 = 8,20 мм	11,1	5
Медь М3	16,3	16,2	< 1

Список литературы

1. Островский Ю. И., Щепинов В. П., Яковлев  интерференционные методы измерения деформаций. М.: Наука, 1988.

2. Кожевников И. Г, Новицкий  свойства материалов при низких температурах. Справочник. М.: Машиностроение, 1982.