Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Механические и физические свойства материалов» для студентов направления

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

(1)

Таким образом, определив потерю веса тела в жидкости, можно рассчитать его объем.

Как известно, плотность тела рассчитывается по формуле

(2)

где g
=9,8 м/с2
– ускорение свободного падения.

Тогда из (1) и (2) плотность тела равна

(3)

Из курса общей физики известно, что связь веса тела с его массой определяется формулой

(4)

С учетом этого, формулу для определения плотности тела можно записать в виде

(5)

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.

Путем взвешивания, измерения линейных размеров и расчета объема образца материала всегда определяется только кажущаяся плотность r
к
. Если материал образца имеет минимальную пористость (менее 0,5%), то значение экспериментально определенной плотности можно считать за истинную (теоретическую) плотность r
и
. Образцы с предполагаемой пористостью более 0,5% перед взвешиванием в жидкости пропитывают расплавленным парафином или другим веществом, не растворимым в жидкости. Это делается с целью закрытия открытых пор. Плотность подготовленных таким образом образцов будет кажущейся r
к
.

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.

№ образца	Форма	Способ получения	n:center;">Диаметр d, см	Высота h, см	Объем V, см3	Масса на воздухе m1 , г	Масса на воздухе пропитанного образца m2 , г	Масса в воде m3 , г	Плотность ρи , г/см3	Плотность ρк , г/см3
1	цил.*	литой	–	–
2	цил.	спеч.	–
3	непр.**	литой	–	–	–	–	–
4	непр.	литой	–	–	–	–	–
5	непр.	литой	–	–	–	–	–
6	непр.	литой	–	–	–	–	–

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 материалов

Отчет

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.