Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения




НазваниеМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения
страница1/7
Дата публикации29.08.2013
Размер0.76 Mb.
ТипМетодические указания
uchebilka.ru > Физика > Методические указания
  1   2   3   4   5   6   7


Министерство образования и науки Украины

Сумский государственный университет

Методические указания

к ВЫПОЛНЕНИЮ лабораторнЫХ работ

по КУРСУ «Физические свойства

и методы исследования МЕТАЛЛОВ»
для студентов специальности 8.090101

«Прикладное материаловедение»

всех форм обучения

Сумы

Изд-во СумГУ

2006
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физиче­ские свойства и методы исследования» /Составитель В.А.Пчелинцев. –Сумы: Изд – во СумГУ, 2006. – 76 с.

Кафедра «При­кладное материаловедение и ТКМ».

^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Освоить методику определения плотности материалов.

1.2 Исследовать плотность материалов при деформировании ковкой и растяжением.
^ 2 ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ И

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1 Весы аналитические электронные.

2.2 Пресс гидравлический МС-500.

2.3 Лабораторный прокатный стан.

2.4 Образцы черных и цветных сплавов для определения плотности.

2.5 Пикнометр для определения объема.
^ 3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1 Методика определения плотности металлов и сплавов

Плотностью металла d называется масса 1 см3 этого металла. Зная массу P и объем V металла, можно вычислить d:

. (1)

Удельный объем V металла характеризует объем в см3 1 г этого металла и является, следовательно, величиной, обратной плотности:

. (2)

Из формулы следует, что определение плотности металла сводится к определению веса и объема испытуемого образца. Вес измеряется при помощи аналитических весов. Что касается определения объема, то его можно производить двумя методами: пикнометрическим и гидростатическим. Пикнометрический метод сводится к определению объема вытесненной жидкости при погружении в нее испытуемого металлического образца. Пользуясь этим методом, Ле-Шателье применил мензурку с внутренним диаметром 6 мм, наполненную жидкостью. При внесении в эту мензурку образца объемом 1 см3 жидкость поднимается на высоту

мм.

Для точного измерения высоты столбика вытесненной жидкости отсчет производился через лупу с микрометрической шкалой. Цена одного деления шкалы равнялась 0,01см3. В силу этого, а также расплывчатости края мениска точность отсчета образца около 1 см3 составляет 1% от измеряемой величины. Такая точность определения плотности для металловедческого исследования недостаточна, так как изменения плотности сплавов в результате закалки, наклепа и т. п. обычно не превышают 1%.

Однако для технических целей простой и быстрый пикнометрический метод может быть с успехом использован. В качестве жидкости, в которую погружается образец, следует выбирать бензол, спирт и тому подобные вещества, обладающие хорошей смачивающей способностью.

Более точной разновидностью пикнометрии является метод трехкратного взвешивания: 1) образца на воздухе; 2) пикнометра, заполненного водой (или другой жидкостью); 3) пикнометра, заполненного водой после внесения в него испытуемого образца.

, (3)

где Q – вес пикнометра с водой;

Р – вес образца;

р – вес пикнометра с водой и образцом;

δ – плотность воды (или другой жидкости);

λ – плотность воздуха (0,0012 при 200).

Точным методом, пригодным для исследовательских целей, является гидростатический метод. Он основан на законе Архимеда, согласно которому сила тяжести погруженного в жидкость тела уменьшается на величину, равную весу вытесненной жидкости. Испытуемый образец дважды взвешивается на аналитических весах: как обычно, на воздухе, и будучи погруженным в какую-либо жидкость. Если вес образца на воздухе Р, а жидкости Q, то P - Q равняется весу вытесненной жидкости. Зная плотность этой жидкости δ, можно вычислить ее объем, вытесненный образцом, или, другими словами, объем образца

(4)

и его плотность

, (5)

или, с учетом поправки на плотность воздуха:



Для точного определения d также лучше пользоваться жидкостью, обладающей хорошей смачивающей способностью: спиртом, бензином и т. п. Образец обычно подвешивается на волоске или тонкой вольфрамовой нити диаметром 10-20 мк. Вес волоска или нити выверяется и учитывается при вычислении плотности.

Плотность сплава связана с его структурой и атомным строением фаз.

Тесно связан с плотностью атомный объем VА, т.е. объем, занимаемый одним грамм-атомом:

, (6)

где А – атомный вес.

При делении VA на N (= 6,0228 · 1023) получается объем, занимаемый одним атомом. Эта величина больше рассчитанной по рентгеновским данным, которые дают диаметр (и объем) иона, находящегося в узле пространственной решетки металла. Если умножить объем иона на N, то получится ионный объем V1. Разница VА – V1 дает объем, занимаемый валентными, коллективизированными электронами.

Атомный объем является периодической функцией атомного номера. Наименьшие значения соответствуют переходным металлам, характеризующимся наибольшей силой междуатомной связи. Эти металлы обладают также большой плотностью, большой твердостью и малой сжимаемостью.

В табл. 1 приведены значения атомного объема и плотности металлов.
Таблица 1 - Плотность металлов


Номер вертикального ряда

периодической

системы Д.И.Менделеева

Металл

Плотность

при 180С, г/см3

Атомный объем


1

Li

0,53

13,0

Na

0,97

23,7

K

0,86

45,5

Rb

1,53

56,2

Cs

1,87

71,0



2

Be

1,82

4,9

Mg

1,74

14,0

Ca

1,55

25,8

Sr

2,60

33,2

Ba

3,50

38,2


3

Al

2,69

10,03

V

5,51

19,45

La

6,15

22,59


4

Ti

4,54

10,7

Zr

6,53

13,97

Hf

11,4

13,98


5

V

6,0

8,92

Nd

8,57

11,0

Ta

16,6

11,2


6

Cr

7,19

7,32

Mo

10,2

9,42

W

19,3

9,63

Продолжение табл. 1


Номер вертикального ряда

периодической

системы Д.И.Менделеева

Металл

Плотность

при 180С, г/см3

Атомный объем


7

Mn

7,43

7,52

Re

21,2

8,78


8

Fe

7,87

7,10

Ru

12,28

8,28

Os

22,48

8,49


9

Co

8,9

6,70

Rh

12,44

8,37

Ir

22,4

8,62


10

Ni

8,5

6,67

Pd

12,0

9,28

Pt

21,4

9,12


11

Cu

8,96

7,10

Ag

10,50

10,27

Au

19,3

17,22


12

Zn

7,13

9,16

Cd

8,65

13,01

Hg

13,55

14,26


13

Ga

5,9

11,82

In

7,31

15,83

Tl

11,85

17,25


14

Ge

5,36

13,44

Sn

7,98

16,30

Pb

11,34

18,27


15

As

5,72

13,11

Sb

6,62

18,20

Bi

9,80

21,33


Плотность металла можно рассчитать, зная массу и объем элементарной ячейки. Если n – число атомов в элементарной ячейке, M – масса атома в г, а V – объем элементарной ячейки, то плотность

. (7)

Масса одного атома металла М здесь подсчитана путем умножения его атомного веса А на1/16 массы атома кислорода, т.е. 1,66 · 10-24 г (более точно – 1,6599 · 10-24).

Воспользуемся формулой (7) для подсчета плотности α-железа. Элементарная ячейка α-железа содержит 2 атома, причем ее параметр, т.е. ребро элементарного куба, равен 2 · 86 · 10-8 см. Отсюда

г/см3,

где 55,85 – атомный вес железа.

Нагревание приводит к непрерывному расширению металла и уменьшению его плотности, скачкообразно изменяющейся вследствие аллотропических превращений и при плавлении.
^ 3.2 Влияние нагревания и степени деформации на изменение плотности

Рассмотрим прерывистые изменения удельного объема железа, которые наблюдаются в критических точках А3 и А4. В точке А2 прерывистого изменения объема нет, как вообще при превращениях второго рода.

Величина объемного эффекта зависит от скорости нагрева или охлаждения, взаимного расположения кристаллитов, количества газов, растворенных в железе, и других факторов.

При нагревании в точке А4 (γδ-превращение) имеет место увеличение удельного объема, которое равняется +0,26%. По расчетным данным, полученным из рентгенограмм, в точке А4 удельный объем увеличивается на 0,95%. Экспериментальные трудности получения рентгенограмм при высоких температурах заставляют считать эту величину малодостоверной.

В точке плавления удельный объем железа увеличивается на 1%. При 15390 жидкое железо имеет удельный объем 0,1383 см3.

На рис. 1 показана приблизительная зависимость удельного объема от температуры, нанесенная по имеющимся, хотя и недостаточно достоверным данным. Пунктирная линия характеризует идентичность β- и δ-железа.



Рисунок 1 – Изменение удельного объема железа при нагревании
Изменение при плавлении объема непереходных металлов (табл. 2), по-видимому, зависит от типа пространственной решетки. Металлы с наиболее компактной решеткой характеризуются наибольшим увеличением объема при плавлении, что можно рассматривать как результат ослабления металлической связи. С уменьшением компактности решетки (Na, K, Rb, Cs) уменьшается и объемный эффект плавления. Элементы, занимающие промежуточное положение между металлами и неметаллами (Sb, Bi, Ga, Si), при плавлении становятся более компактными; их координационное число при переходе в жидкое состояние возрастает до 8-10 единиц. Здесь имеет место переход от преимущественно ковалентной связи к металлической.

Горячая пластическая деформация (прокатка, ковка, штамповка), как правило, повышает удельный вес литых железа, стали и других металлов, что обусловлено их уплотнением, т.е. заполнением микроскопических пор и раковин. Некоторое микроскопическое уплотнение происходит также и в результате холодной деформации при малых степенях обжатия (не выше 10%). При более сильных обжатиях удельный объем возрастает. Зависимость плотности от степени наклепа показана на рис. 2.


0 20 40 60 80 %

Степень деформации


Рисунок 2 - Зависимость плотности томассовского железа (0,07% С)

от степени деформации
Таблица 2 - Изменение объема при плавлении металлов

Металл

Изменение объема при плавлении, %

Тип пространственной решетки

Координационное число

Cn

+4,25







Ag

+3,4







Au

+5,03

ГЦК

12

Al

+6,26







Pb

+3,38







Mg

+4,1

Гексагональная




Zn

+4,7

компактная

6(12)

Cd

+4,72







Na

+2,5







K

+2,5

ОЦК

8

Rb

+2,5







Cs

+2,5







Sb

-0,95

Ромбоэдрическая

3

Bi

-3,3







Ga

-3,24

Ромбическая

1(7)

Sn

+2,6

Тетрагональная

3(6)

Si

-10

Типа алмаза

4

AlSb

-1,5

MgSn

-2,2

Типа




MgPb

-2,6

флуорита

4(Mg)



Уменьшение плотности при наклепе объясняется понижением компактности пространственной решетки в результате возникающих в ней искажений. Возврат и рекристаллизация, при нагреве наклепанного металла повышают его плотность, возвращая практически к исходному значению.

Увеличение объема металла вследствие наклепа объяснено термидинамически Зинером. Исходя из того, что добавочная энергия наклепанного металла обуславливает как растяжение, так и сдвиг в кристалле, а также из того, что упругие модули растяжения и сдвига различны по величине, автор показал, что увеличение объема пропорционально энергии самоуравновешенных внутренних напряжений, возникающих при наклепе. Результаты расчета объемных изменений хорошо совпадают с экспериментальными данными.

Надо полагать, что увеличение среднего междуатомного расстояния в результате наклепа изменяет характер связи. Эта мысль была впервые высказана Г.В. Акимовым при обсуждении им явления упрочнения при наклепе.

При всестороннем упругом сжатии плотность возрастает, а объем металла уменьшается вследствие сближения атомов. Коэффициент сжимаемости

, (8)

где ρ – внешнее давление.

Значение к уменьшается с увеличением давления и увеличивается при нагревании.

Сжимаемость железа в интервале давлений 0 – 12000 кг/см3 при 300 определяется уравнением

к = 0,587 · 10-6 – 2,1 · 10-12 ρ,

где ρ – приложенное давление. При нагреве на 1000 сжимаемость железа при малых давлениях увеличивается на 4%.

Коэффициент сжимаемости стали практически тот же, что у железа.

В кристаллах некубической системы величина к зависит от направления. Измеряя изменение линейных размеров d/ вдоль и поперек главной кристаллографической оси, можно приблизительно определить к.

. (9)

У некубических металлов с плотной упаковкой (Mg, Sn) к почти не зависит от направления. В отсутствие плотной упаковки (Zn, Cd, Sg, Bi) сжимаемость вдоль главной оси во много раз больше, чем перпендикулярно ей. Это свидетельствует о том, что связь в гексагональных или тригональных слоях атомов в этих металлах прочнее, чем между слоями.

Сжимаемость является периодической функцией положения металла в системе Менделеева (табл. 3). Наименьшей она является у переходных металлов, причем минимум к достигается для Ni, Ru, Os. Это можно объяснить (так же, как и наименьший атомный объем) тем, что валентные электроны в этих металлах частично заполняют вакансии на d-оболочках и тем самым уменьшают межионные пространства. Если считать, что сжатие происходит за счет уплотнения электронного газа, находящегося между ионами, то величина к должна расти вместе с межионными промежутками и уменьшаться с увеличением числа валентных электронов. Это предположение подтверждается экспериментально. Опытные данные приводят к эмпирической формуле

lg VЕ = C lg к, (10)

где (n – число валентных электронов);

С – постоянная величина;

VА и VІ – атомный и ионный объем.
  1   2   3   4   5   6   7

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине...
Физические свойства и методы исследований материалов” (Раздел 2 “Применение анализа физических свойств материалов в материаловедении”)...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине 
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Водоснабжение (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Технологические основы машиностроения" для студентов специальности...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «вычислительная...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Вычислительная техника и программирование», (для студентов 2 курса...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания по выполнению практических работ по дисциплине
Методические указания по выполнению практических работ по дисциплине “Основы тепловых расчетов нагревательных устройств” для студентов...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «прикладная гидроэкология»
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Прикладная гидроэкология» (для студентов 3 курса дневной формы...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине 
Эксплуатация очистных сооружений водопроводно-канализационных систем  (для студентов 5 курсов всех форм обучения специальности 092601...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Компьютерная графика»
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Компьютерная графика» (для студентов, обучающихся по направлению...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconЛабораторная работа 1 на тему «Определение характеристик пластичности...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Механиче­ские свойства и конструкционная прочность металлов» /Составитель...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования металлов» для студентов специальности 090101 «Прикладное материаловедение» всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «электромагнитная техника»
Методические указания к выполнению лабораторных работ и контрольных заданий по дисциплине "Электромагнитная техника". Раздел "Электромагнитные...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<