Дилатометрия
Образование новых фаз, аллотропические и другие внутренние превращения сопровождаются скачкообразным изменением объема, линейных размеров и коэффициента термического расширения (к. т. р.) твердого вещества [511, 512]. Очень часто объемный эффект того или иного превращения, измеряемый по удлинению образца, значительно заметнее эффекта термического. Поэтому условия превращений удобно исследовать на кривой температура — длина образца исследуемого вещества. Еще более четко скачки обнаруживаются на кривой температура — к. т. р. Именно таким способом Ле-Шателье [512] удалось в 1889 г. впервые обнаружить энантиотропный переход кварца из β- в α-модификацию и установить температуру этого процесса.
На рис. 96, а и б показаны типичные кривые термического расширения вещества 1, не претерпевающего фазовых превращений, и веществ 2 и 3, в которых превращение начинается при температуре tlt а при t2 заканчивается. Превращение в веществе 3 сопровождается сжатием и возникновением образований, увеличивающих к. т. р. образца в целом, в веществе 2, наоборот, объемный эффект выражается в резком увеличении размеров образца и сопровождается понижением к. т. р. вещества при нагревании выше температуры t2
Совокупность методов измерения термического расширения тел носит название дилатометрии, а приборы для исследования такого рода называются дилатометрами. В исследовательской практике применяют дилатометры самых различных конструкций: интерферометрические, дифференциальные (оптические, кварцевые), электрические и др. Интерференционные дилатометры позволяют с достаточной точностью измерять термическое расширение небольших образцов и даже кристаллов в различных направлениях. Однако интерференционные дилатометры имеют ряд существенных недостатков: необходимость визуального наблюдения в течение всего опыта, сложность и трудоемкость подготовки образцов, высокая чувствительность к вибрациям, неустойчивость контактов в точках соприкосновения образца и прибора.
Дилатометры, основанные на принципе компаратора, позволяют определить абсолютное удлинение исследуемого образца.
В тех случаях когда имеется подходящее вещество (эталон) с известным термическим расширением и не претерпевающее фазовых превращений в выбранном интервале температур, пользуются относительными методами.
Так, широкое распространение в научно-исследовательской работе нашел дифференциальный оптический дилатометр Шевенара с автоматической записью. В качестве эталонного материала используют хромоникелевый или хромоникелькобальтовый сплав (пирос). Автоматическая запись разности изменений длины эталона и изучаемого объекта (ΔLэ — АΔLo) позволяет установить температуру начала t1 и конца t2 фазового превращения по излому на кривой ((ΔLэ — АΔLo) —температура (рис. 96, в).
Для практических целей часто применяют кварцевый дифференциальный дилатометр [513], с помощью которого измеряется разность удлинений образца и кварцевого стекла. Кварцевый дилатометр для точных измерений, предложенный Стрелковым с сотрудниками [514],
Рис. 96. Кривые автоматической записи разности изменения длины эталона и изучаемого объекта
а—температура удлинения; б—температура к. т. p.; s — температура — разность удлинений; 1 — эталон; 2 и 3 — объекты исследований (на рис. 96, в — результат исследования на дилатометре Шевенара)
по чувствительности близок к интерференционному, но в отличие от последнего он малочувствителен к толчкам и вибрациям. На этом приборе расширение измеряется как абсолютным, так и дифференциальным методом. Общим недостатком кварцевых дилатометров является ограниченность температурного предела точных измерений (до 1000—1100° С). В настоящее время разработаны конструкции приборов для исследования термического расширения до 2400° С и выше.
Существуют электрические методы измерения термического расширения. Так, один из этих методов основан на измерении емкости между двумя металлическими пластинками при нахождении между ними образца испытуемого вещества.
Имеются также дилатометры, позволяющие нагревать образец в вакууме и в контролируемых готовых средах.
Общим недостатком дилатометрического метода в случае изучения внутренних превращений является неточность количественных расчетов получающихся кривых, поскольку не удается количественно отделить объемный эффект превращения от чисто термического расширения или сжатия. В случае двухфазовой смеси, зная коэффициенты линейного расширения обеих фаз, можно по кривой удлинение — температура приближенно судить также об относительном содержании каждой из них в смеси.