Учебное пособие: Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Механические и физические свойства материалов» для студентов направления
Название: Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Механические и физические свойства материалов» для студентов направления Раздел: Остальные рефераты Тип: учебное пособие | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой ММС Академик РАН _____________ В.Е. Панин “____”________2006 г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Механические и физические свойства материалов» для студентов направления 150600 – Материаловедение и технологии новых материалов Томск 2006 УДК 669.621.785; 620.22 Определение плотности материалов: Методическое указание по выполнению лабораторных работ по курсу «Механические и физические свойства материалов» для студентов направления 150600 – Материаловедение и технологии новых материалов. –Томск: Изд. ТПУ, 2006. – 8 с. Составитель: доц., канд. техн. наук С.В. Матренин Рецензент: доц., канд. ф-м. наук Б.С. Зенин Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры ММС “___”_________2006 г. Зав. кафедрой ММС академик РАН _____________ В.Е. Панин ©Матренин ©Matrenin ©Томский политехнический университет Цель работы: научиться определять плотность различных материалов путем измерения линейных размеров образцов и методом гидростатического взвешивания. Оборудование и материалы: весы лабораторные с погрешностью взвешивания не более 0,001 г, приспособление для гидростатического взвешивания, штангенциркуль, микрометр, мерный стакан, пикнометр, пинцет, образцы различных материалов (по указанию преподавателя), вода дистиллированная, спирт, парафин. Краткое теоретическое введение Плотность – очень важная характеристика материалов самого различного назначения. В случае, когда химический, либо фазовый состав материала точно не известен, но известно, что он состоит из одного химического элемента, измеряя плотность данного материала можно установить его химический и фазовый состав. Если состав материала известен заранее, то путем измерения плотности определяется его пористость, от которой, в свою очередь, могут зависеть другие характеристики материала, в первую очередь механические. В керамической технологии и в технологии порошковой металлургии плотность материала определяется практически на всех технологических этапах и в значительной степени определяет эксплуатационные свойства изделия. Если образец исследуемого материала имеет правильную геометрическую форму, то, определяя путем взвешивания массу и рассчитывая, используя линейные измерения, объем можно с достаточной точностью определить его плотность. Однако в большинстве случаев определение объема тела путем измерения линейных размеров весьма затруднительно. В то же время он очень легко находится взвешиванием тела в воде. Этот факт лежит в основе метода определения плотности тел путем гидростатического взвешивания. Гидростатическое взвешивание – метод измерения плотности жидкостей и твердых тел, основанный на законе Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (газа) поддерживающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа), направленная вверх и приложенная к центру тяжести вытесненного объема. Поддерживающую силу называют также архимедовой, или гидростатической подъемной силой. Давление, действующее на погруженное в жидкость тело, увеличивается с глубиной погружения, поэтому сила давления жидкости на нижние элементы поверхности тела больше, чем на верхние. В результате сложения всех сил, действующих на каждый элемент поверхности, получится равнодействующая сила, направленная вверх. Это и есть поддерживающая сила. Если тело плотно лежит на дне, то давление жидкости только сильнее прижимает его ко дну. Пусть P – вес тела произвольной формы, и p – вес этого же тела в жидкости. Тогда разность P – p есть потеря веса тела в жидкости. По закону Архимеда это потеря равна весу вытесненной жидкости. Если объем тела равен V , а плотность жидкости ρж , то справедливо равенство
Таким образом, определив потерю веса тела в жидкости, можно рассчитать его объем. Как известно, плотность тела рассчитывается по формуле
где g =9,8 м/с2 – ускорение свободного падения. Тогда из (1) и (2) плотность тела равна
Из курса общей физики известно, что связь веса тела с его массой определяется формулой
С учетом этого, формулу для определения плотности тела можно записать в виде
где M – масса тела на воздухе, m – масса тела в жидкости. Все материалы, полученные по керамической технологии или технологии порошковой металлургии, содержат поры. Их подразделяют на две группы: · закрытые поры – не сообщающиеся с окружающей средой. · открытые поры – сообщающиеся с окружающей средой. В некоторых материалах пористость задается и формируется целенаправленно, например, в антифрикционных материалах, керамических фильтрах. В технологии других материалов, например, огнеупорных керамик, допускается определенная пористость, не влекущая за собой заметного снижения эксплуатационных свойств изделий. В технологии материалов конструкционного и инструментального назначения пористость является отрицательным фактором, поскольку она определяет уровень прочностных характеристик изделий. Пористость и плотность материалов принято характеризовать следующими показателями: 1. Истинная (теоретическая) плотность r и , г/см3 – плотность беспористого материала. 2. Кажущаяся плотность r к , г/см3 – плотность материала, содержащего поры. 3. Относительная плотность r к / r и . 4. Истинная пористость Пи , – суммарный объем всех пор, выраженный в процентах или долях к общему объему материала. 5. Кажущаяся (открытая) пористость – объем открытых пор, заполняемых водой при кипячении, выраженный в процентах к общему объему материала.
Порядок выполнения работы 1. Изучить в течение 15 мин методический материал, делая необходимые записи. 2. С помощью штангециркуля и микрометра измерить линейные размеры цилиндрических образцов материалов. Результаты занести в табл. 1. 3. Собрать приспособление для гидростатического взвешивания в соответствии с рис.1. Наполнить емкость для гидростатического взвешивания дистиллированной водой. Уравновесить весы на ноль шкалы. 4. Взвесить все образцы на весах на воздухе. Один образец цилиндрической формы с предполагаемой высокой пористостью (спеченный) пропитать расплавленным парафином. Для этого образец полностью погрузить в расплавленный парафин и выдержать в нем не менее 30 с до прекращения выделения пузырьков воздуха. Затем образец высушить на воздухе, очистить его поверхность от парафина и взвесить. Результаты занести в таблицу. 5. Взвесить в воде образцы с предполагаемой минимальной пористостью и образец, пропитанный парафином. Данные занести в табл. 1. 6. Все измерения выполнить по 3 раза. Таблица 1 Результаты измерений образцов.
Прим. * –цилиндрическая, ** –неправильная
Обработка экспериментальных данных
1. Рассчитать объем и плотность цилиндрических образцов по формулам
где d и h –диаметр и высота образца, см, 2. Рассчитать плотность спеченного цилиндрического образца по формуле Плотность ρводы при 20°С принять равной 0,9972 г/см3 . 3. Рассчитать плотность литых образцов по формуле 4. Расчеты объема и плотности образцов провести по результатам 3 измерений, рассчитанные значения усреднить и занести в табл. 1. 5. Сравнить значения плотности спеченного образца, полученные путем геометрических измерений и гидростатическим взвешиванием. Пользуясь справочником, определить химический состав образцов. 5. В отчете представить цель работы, перечень используемого оборудования и материалов, теоретическое введение, экспериментальные и расчетные данные в виде таблиц, сформулировать подробные выводы.
Контрольные вопросы 1. Почему для конструкционных материалов пористость является отрицательным фактором? 2. В чем состоит различие между истинной и кажущейся плотностью материала? 3. Если определить плотность высокопористого (более 20%), непропитанного парафином образца методом гидростатического взвешивания, какой она будет – кажущейся или истинной? 4. При гидростатическом взвешивании пористых образцов шкала весов не стабилизируется на определенном значении, а медленно «плывет» в сторону увеличения. Объясните этот эффект. Почему он не наблюдается при взвешивании литых образцов? Список литературы 1. ГОСТ 25281–82 (СТ СЭВ 2287–80). Метод определения плотности формовок. 2. Химическая технология керамики и огнеупоров / Под ред. П.П. Будникова. –М.: Стройиздат, 1972. –551с. 3. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия. –Л.: Машиностроение, 1990. –319с. Структура отчета по лабораторным работам и правила его оформления Отчет является документом, свидетельствующим о выполнении задания студентом и должен включать: - титульный лист согласно приложению; - программу и календарный план выполнения работы; - реферат; - содержание; - введение; - цель работы; - основную часть (обоснование и постановка задачи, характеристика объекта изучения, методика работы, описание и (или) чертежи установки (прибора), результаты опытов (измерений), обработка результатов, оценка погрешностей и анализ источников ошибок, обсуждение результатов; - выводы; - список использованной литературы; - приложения. При оформлении отчета следует руководствоваться требованиями СТП ТПУ 2.5.01-99.
Приложение Форма титульного листа отчета по лабораторной работе
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Машиностроительный факультет Кафедра – Материаловедение в машиностроении Направление 150600 - Материаловедение и технологии новых материалов Лабораторная работа № 1 Определение плотности материаловОтчет Дисциплина: «Физические свойства материалов и изделий» Исполнитель(и) студент(ы), номер группы (дата) (подпись) И.О.Фамилия Руководитель (должность, ученая степень, звание) (дата) (подпись) И.О.Фамилия Томск – 2006 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Методические указания по выполнению лабораторных работ Составитель: Сергей Вениаминович Матренин Подписано к печати 00.05.06 Формат 60х84/8. Бумага ксероксная. Печать Riso. Усл. печ. л. 1,63. Уч.– изд. л. 1,47 Тираж 20 экз. Заказ . Цена свободная. Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина, 30. |