Методика измерений и аппаратура

Для измерения вязкости жидких металлов используют вискозиметр, в основу которого положен вариант метода крутильных колебаний, разработанный Е.Г. Швидковским. Цилиндрический или конический тигель с образцом исследуемого металла известной массы подвешивают на упругой молибденовой нити в печи сопротивления. Подвесной системе с тиглем, обладающей определенным моментом инерции, после достижения ^{необходимой температуры сообщаются свободные крутильные колебания.} После снятия воздействия закручивающей силы на систему начинают действовать упругий восстанавливающий момент кручения молибденовой нити, момент сил внутреннего трения, обусловленный наличием жидкого металла в тигле, силы трения тигля в газовой среде. Под действием этих сил система совершает затухающее крутильно-колебательное движение. Через некоторый промежуток времени при установившемся режиме колебаний измеряются амплитуды колебаний. При этом определяют логарифмический декремент затухания по формуле

δ = ℓn , (12)

где: логарифмический декремент затухания, n – число последовательных колебаний, – величина амплитуды n-ого колебания.

Одновременно измеряют период времени Т между измерениями и Величина кинематической вязкости вычисляется по формуле, предложенной Е.Г. Швидковским

ν = , (13)

где: ν – кинематическая вязкость,

и _, – логарифмические декременты затухания и периоды колебаний при заполненном и пустом тигле, соответственно,

- момент инерции подвесной системы при пустом тигле,

– внутренний радиус средней части тигля,

– масса навески испытуемого металла,

- поправочный коэффициент, связанный с формой тигля,

.

При этом высота металла в тигле h должна быть больше или равна 1,85 r.

h ≥ 1,85 r. (14)

Основными трудностями этого метода являются ограничения, связанные с недостаточной упругостью подвеса и несоответствие ей размеров массы тигля с жидким металлом. Критерием применимости формулы Швидковского является величина ε:

ε = r (15)

При ε > 10 вычисления можно проводить по формуле Швидковского. Принято при этом жидкость называть слабовязкой.

Если ε < 1,2, то жидкость принято называть сильновязкой и применение формулы Швидковского не дает хороших результатов. В лабораторной работе мы имеем дело со слабовязкими расплавами, для которых ε > 10. Следовательно, кинематическую вязкость жидких металлов рассчитывают по формуле Швидковского

ν = , (13)

а логарифмический декремент затухания по формуле

δ = ℓn . (12)

Схематично устройство вискозиметра для определения вязкости жидких металлов показано на рис. 3.

Рис.3 Схема устройства вискозиметра

Экспериментальная установка состоит из следующих основных частей: подвесной системы 3 с тиглем 9, графитового нагревателя 14, водоохлаждаемого корпуса 1, трех пар катушек 18, служащих для обеспечения старта крутильно-колебательного движения. Подвесная система состоит из упругой молибденовой нити, промежуточного стержня с двумя цанговыми зажимами 7, подвески 8, тигля 9с образцом металла. В качестве упругой нити используют молибденовую проволоку диаметром 0,1 – 0,15 мм. Алундовые тигли имеют в средней части диаметр 15-20 мм и высоту 20-40 мм. Масса металла составляет 15-80 г (в зависимости от плотности сплава). На водоохлаждаемый корпус 1 через резиновые прокладки крепится водоохлаждаемая крышка с трубой 2, в которой помещается верхняя часть подвесной системы. В трубе имеется отверстие 4, герметически защищенное оптически прозрачным стеклом. В верхней части трубы укреплена головка 5 со штоком 6, к которому прикреплена упругая нить. Отсчет амплитуды производится по положению светового зайчика на полупрозрачной шкале 10. При этом световой луч падает от осветителя 11 на зеркало 12 и отражается от промежуточного зеркала 13 на полупрозрачную шкалу 10. Нагрев, расплавление и поддержание необходимой температуры металла в тигле осуществляется бифилярным графитовым нагревателем, который крепится на двух охлаждаемых токопроводах 15, установленных с изоляционными прокладками на опорной плите 16. Температуру металла контролируют термопарой 17, колпачок которой помещается под дном тигля. Измерения осуществляют в атмосфере высокочистого гелия, который подают под небольшим избыточным давлением в печное пространство и отводят через верхнюю часть центральной трубы (возможен и нижний отвод). Вместо стартовых катушек, соединенных в звезду, можно использовать статор электромотора. Вискозиметр чувствителен к колебаниям стен и пола здания, поэтому укрепляется на полу или на капитальной стене через резиновые прокладки.