ИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ КРЕМЕНЧУГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ МИХАИЛА ОСТРОГРАДСКОГО

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ "Физические свойства и методы исследования материалов" ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДНЕВНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ С СПЕЦИАЛЬНОСТИ 8.090101 - "ПРИКЛАДНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ"

КРЕМЕНЧУГ 2012

Методические указания по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине "Физические свойства и методы исследования материалов" для студентов дневной формы обучения по специальности 8.09010 - "Прикладное материаловедение"

Составитель: к.т.н., доц. А.Т. Хасанов

Рецензент: к.т.н., проф. Ю.М. Гаврилюк

Кафедра инженерного материаловедения

Утверждено методическим советом КГУ имени Михаила Остроградского Протокол № ___ от _________________ Заместитель председателя методического совета ____ доц. С. А. Сергиенко

Содержание

Вступление

Лабораторная работа № 1 Методы определения плотности веществ

Лабораторная работа № 2 Теплопроводность материалов

Лабораторная работа № 3 Температурные и тепловые свойства материалов

Лабораторная работа № 4 Термоэлектрические свойства материалов

Лабораторная работа № 5 Электрические свойства материалов

Лабораторная работа № 6,7 Магнитные свойства и параметры материалов

Лабораторная работа № 8 Методики определения физических свойств материалов и изделий

Лабораторная работа № 9 Методы контроля качества материалов и изделий

Список литературы

Вступление

Дисциплина "Физические свойства и методы исследования материалов" базируется на изучении теоретических и практических основ физических свойств материалов и изделий с целью практического применения знаний в машиностроительной отрасли производства.

Вследствие несовершенства технологии изготовления материалов и изделий и их применения в различных отраслях производства вопросы изучения физических свойств материалов и изделий по применению в различных отраслях производства в настоящее время приобретают наибольшую актуальность.

Перечень лабораторных работ Лабораторная работа № 1

Тема. Методы определения плотности веществ

Цель работы: Изучить метод, аппаратуру и способы определения плотности различных материалов и изделий.

Оборудование: Весы, линейка, вольтметр, амперметр

Краткие теоретические сведения

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

Плотностью называют массу единицы объема вещества. Массу определяют путем взвешивания. Напомним, что численное значение плотности, выраженное в г/см³ , совпадает с численным значением удельного веса, вы-раженным в гс/см³ . Это позволяет при измерениях массы оперировать результатами взвешивания. Поэтому плотность вещества γ можно выразить

как отношение веса в вакууме Р₀ к его объему V

(1.1)

Используя закон Архимеда, взвешивание в вакууме можно заменить взвешиванием в воздухе

Р_о=Р₁+ γV (1.2)

Здесь Р₁ - вес образца в воздухе, γ₁ - плотность воздуха. Из уравнений (1.1) и (1.2) находим

^(1.3)

Определение объема образца путем вычисления по результатам измерения его размеров обычно не обеспечивает необходимой точности. Поэтому объем образца находят косвенным путем, заменяя измерение размеров взвешиванием. Ниже рассмотрены два метода, в которых используется этот прием.

Определение плотности методом трехкратного взвешивания

Определяют вес образца в воздухе Р₁, вес пикнометра (Пикнометр - прибор для измерения плотности) с жидкостью Р₂ и вес пикнометра с жидкостью и образцом, погруженным в жидкость, Р₃.

В двух последних случаях уровень жидкости в пикнометре устанавливают по метке на горловине сосуда. Очевидно, что

(1-4)

В этом уравнении γ₂ - плотность жидкости, заливаемой в пикнометр, жидкости, вытесненной образцом. Из последнего уравнения

^(1-5)

Подставив найденное значение V в уравнение (1.3), получим

^(1-6)

Жидкость, заливаемая в пикнометр, должна хорошо смачивать его стенки и поверхность образа, чтобы не оставалось пузырьков воздуха, ко­торые могли бы уменьшить величины Р₂ и Р₃.

Метод гидростатического взвешивания

Как и в предыдущем случае, исходным соотношением для определения плотности служит уравнение (1.3). Для нахождения объема образца его взвешивают в воздухе и в жидкости (Р₁ и Р₂ соответственно). Вес образца в вакууме можно выразить через его вес в жидкости аналогично соотношению (4.2). Используя те же соотношения, что и в (1.1), находим

(1-7)

Так как правые части уравнений (1.2) и (1.7) равны, то

(1-8)

Подставив найденное значение V в уравнение (1.3), получим

(1-9)

Для взвешивания образца в жидкости его привязывают тонкой проволочкой к чаше аналитических весов и погружают в сосуд с жидкостью. Далее взвешивание производится обычным образом. При этом определяют суммарный вес Р₃ образца, находящегося в жидкости, и проволочки, час­тично погруженной в жидкость. Затем определяют вес (Р₄) без образца проволочки, опущенной в жидкость на ту же глубину, что и при взвешива­нии образца. Очевидно, что Р₂= Р₃-Р₄.

В таблице №4-1 показаны плотности основных металлов применяемых в машиностроении.

Таблица №4-1

Измерение удельного электрического сопротивления

Электрические свойства веществ характеризуются величиной удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности. Удельное сопротивление ρ определяется из соотношения

R=ρ∙ℓ/S (1-10)

где R - сопротивление проводника, L - его длина, S - площадь поперечного сечения. Сопротивление R - структурно-чувствительный коэффициент пропорциональности между напряжением и током в законе Ома. Удельное электрическое сопротивление от размеров образца не зависит, а определя­ется его химическим составом и структурой всех уровней - от атомно-кристаллической до макроструктуры. Удельная электропроводность σ - величина, обратная удельному электрическому сопротивлению .

В зависимости от величины удельной электропроводности твердые тела делят на три группы: диэлектрики, полупроводники и металлы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Электропроводность твердых тел при 20 °С: 1 - алмаз, 2 - слюда, 3 -полиэтилен

Удельное сопротивление существенно зависит от температуры (рис. 1.2).

а) б)

Рис.1.2. Схема температурной зависимости удельного электрического сопротив­ления (а) и зависимость температурного коэффициента сопротивления никеля от температуры (б)

При температуре на несколько градусов выше ^oК сопротивление металлов определяется примесями и дефектами решетки, практически не за­висит от температуры и называется остаточным сопротивлением ρ₀ . С повышением температуры появляются и усиливаются тепловые колебания решетки и сопротивление многих металлов возрастает пропорционально Т⁵ , независимо от типа решетки и валентности. Сопротивление большей части переходных металлов при низких температурах изменяется пропорционально Т^п, где п = 2,0...5,3. При температурах выше (0,1-1)θ_D сопротивление возрастает пропорционально температуре

(1-11)

Здесь ρ_t2 ρ_t1 - удельное сопротивление при температурах t₁ и t₂ соответ­ственно; а_ρ - средний в интервале t₁...t₂ температурный коэффициент удельного электрического сопротивления. Отсюда

(1-12)

Истинный термический коэффициент удельного электрического сопротивления

(1-13)

Измеряя температурный коэффициент удельного электрического со­противления металлов и сплавов, необходимо учитывать тепловое расширение образца:

(1-14)

Здесь α_R - средний температурный коэффициент общего электрического сопротивления образца; α - средний коэффициент линейного расширения в интервале температур Δt, в котором определяется . Из рис. 1.2, следует, что температурный коэффициент электросопротивления изменяется с температурой. Наиболее существенно эта зависимость проявляется у ферромагнетиков в окрестности температуры Кюри (рис. 1.2,б).

Пластическая деформация повышает удельное электрическое сопротивление на несколько процентов. Только электросопротивление вольфрама при значительной деформации возрастает на десятки процентов. Согласно правилу Маттиссена, удельное электрическое сопротивление чистых металлов и твердых растворов низкой концентрации можно предста­вить в виде

(1-15)

где ρ_(t) - температурно-зависимая часть его. Остаточное сопротивление ρ₀ от температуры не зависит. В ферромагнитных металлах колебания системы атомных магнитных моментов вызывают дополнительное рассеяние электронов, что вносит вклад ρ_т в величину удельного сопротивления

(1-16)

Считается, что возрастание сопротивления при пластической деформации обусловлено увеличением ρ₀ вследствие искажений кристаллической решетки. Из вышесказанного следует, что доля ρ₀ увеличивается с понижением температуры. Поэтому изучать влияние пластической деформации на удельное электрическое сопротивление следует при возможно более низких температурах.

Так как остаточное сопротивление обусловлено примесями и дефектами кристаллического строения, то любое воздействие, повышающее плотность последних, увеличивает ρ₀ . К таким воздействиям, кроме пластической деформации, относятся: фазовый наклеп; закалка от высоких температур (в том числе чистых металлов без полиморфных превращений), повышающая концентрацию вакансий; облучение частицами высоких энергий. Например, остаточное сопротивление платины удваивается в результате быстрого охлаждения от 1500 °С (температура плавления Рt равна 1773 °С).

Отжиг чистых металлов и некоторых сплавов, подвергнутых названным выше воздействиям, снижает электрическое сопротивление и может привести к полному его восстановлению даже при нагреве ниже температуры рекристаллизации.

Методы измерения электрического сопротивления

Экспериментально определяют величину полного или общего электрического сопротивления образца R, а величину удельного электросопротивления ρ находят из соотношения (1.1).

В большинстве случаев в металлофизических исследованиях прихо­дится измерять весьма малые электрические сопротивления - порядка 10^-1 ... 10^-3 Ом, а иногда и менее, что обусловлено размерами образцов. В зависимости от реальных возможностей образцы изготавливают в виде про­волоки, ленты или вытачивают на токарном станке. Длина образцов обычно не превышает 50... 100 мм, а поперечное сечение находится в пределах от долей мм² до 15...20 мм² . В связи с этим к методам измерения электрического сопротивления предъявляются повышенные требования по чувствительности и точности. В порядке повышения этих характеристик расположены рассмотренные ниже методы измерения электросопротивления.

Метод вольтметра-амперметра

Этот метод наиболее прост и легко может быть приспособлен для записи быстрых изменений электрического сопротивления.

В одном из двух вариантов метода образец сопротивлением R_х включается последовательно с амперметром, а вольтметр измеряет падение на­пряжения на них (рис. 1.3,а). Если 1_а и U_в - показания амперметра и вольтметра, то кажущееся сопротивление образца

(1-17)

Очевидно, что U_в = 1_аR_а + 1_aR_Х где R_а - внутреннее сопротивление амперметра. Подставив значение U_в в уравнение (1.17), получаем

R^'_x=R_x+R_a (1-19)

и, следовательно,

R_x = R^'_x-R_a (1-20)

Рис. 1.3. Принципиальные схемы соединений образца и измерительных приборов при измерении сопротивления методом вольтметра-амперметра.

Таким образом, при использовании схемы, приведенной на рис. 1.3, необходимо возможно точнее знать сопротивление амперметра R_a

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Методы определения плотности.

3. Знать показания плотности основных металлов применяемых в машиностроении.

4. Определить величины удельной электропроводности твердых тел.

5. Описать методы измерения электрического сопротивления.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы, цели и методы дефектоскопии.

2. Основные положения теоретических сведений.

3. Метод измерения плотности и их принцип действия.

4. Вывод.

Контрольные вопросы

1. На какие виды подразделяются методы определения плотности?

2. Знать показания плотности основных металлов применяемых в машиностроении.

3. При каких условиях применяют методы определения плотности?

4. Недостатки методов измерения электрического сопротивления.

5. С какой целью используют методы измерения электрического сопротивления?

Литература: [1-6].

Лабораторная работа № 2

Тема. Теплопроводность материалов

Цель работы: Изучить теплопроводность металлов и сплавом

Оборудование:

Краткие теоретические сведения

Величина теплопроводности характеризует способность тела передавать тепловую энергию от одной его точки к другой, если между ними возникает разница температур.

Выделим в твердом теле (рис. 2-1) две параллельные плоскости на расстоянии ℓ и возьмем на них два сечения площадью S. Если в одном из сечений поддерживается t₁, а в другой t₂ , причем температура t₁> t₂ , то поток тепла перемешается по направлению, указанному стрелкой.

Рис. 2-1. Образец при разности температур - t₁ - t₂,

В течение промежутка времени τ пройдет тем большее количество теплоты Q, чем меньше ℓ, чем больше площадь S, чем больше разность температур t₁ - t₂ и чем больше промежуток времени τ:

^(2-1)

В этой формуле коэффициент λ является материальной константой, зависящей от природы материала. Приравнивая в правой части формулы S, ℓ, τ и t₁ - t₂ единице, можно сказать, что λ измеряется количеством теплоты, которое проходит в теле через сучение 1 см² на длине 1 см при разности температур в. 1 °C в течение 1 с. Эта величина λ называется внутренней теплопроводностью, удельной теплопроводностью или чаще всего просто теплопроводностью.

Теплопроводность λ зависит от температуры. Определенная теплопроводность λ из уравнения (2-1) относится к средней величине в интервале температур t₁ - t₂ . Поэтому истинная теплопроводность при данной температуре λ _t должна быть выражена дифференциальной формулой, исходя из тех условий, что разность температур становится бесконечно малой (dt) на бесконечно малой длине (dℓ):

Q= λ _t S τ∙d t/d ℓ; (2-2)

λ _t= Q_t ∙1/S∙1/ τ∙d ℓ /d t (2-3)

Теплопроводность можно измерить в кал/(см °С с) или в Вт/(см∙К). При переходе от одних единиц измерения теплопро­водности к другим нужно вводить коэффициент 0,24. Например, для химически чистого железа при 0 °С теплопроводность равняется 0,94 Вт/(см∙К), или 0,94-0,24 = 0,226 кал /(см °С∙с).

В общем виде изменение теплопроводности при нагреве можно выразить формулой

λ _t=λ ₀∙(1+αТ) (2-4)

где α - температурный коэффициент теплопроводности; эта величина во многих случаях имеет отрицательный знак, так как при нагреве теплопроводность понижается.

В технике имеет существенное значение величина коэффициента температуропроводности а, который выражается следующим образом:

а =λ/dc (2-5)

где λ-теплопроводность; d -плотность; с -теплоемкость.

Коэффициент температуропроводности в тепловых процессах характеризует собой скорость изменения температуры. Чем больше а, тем меньше температурная разность в отдельных местах внутри тела при одинаковых условиях нагревания и охлаждения.

Высокая теплопроводность, как и электропроводность, является характерным признаком металлов. Металлы с низкой валентностью, имеющие более выраженный металлический характер, обладают относительно большой теплопроводностью.

С физической точки зрения явление теплопроводности представляет собой перенос кинетической энергии. В металлических кристаллах перенос тепловой энергии в общем случае осуществляется двумя типами носителей: электронами проводимости и колебаниями кристаллической решетки (фононами). Соответственно различают электронную (λ_эл) и решеточную (λ_реш) составляющие теплопроводности. Превалирующим механизмом теплопроводности металлов и сплавов является перенос тепла электронами проводимости, решеточная теплопроводность чистых металлов обычно мала (приблизительно в 30 раз меньше) по сравнению с электронной. Именно в связи с этим высокая теплопроводность, как и электропроводность, является характерным признаком металлического состояния. Теплопроводность неметаллических твердых тел (ионных и ковалентных кристаллов), обусловленная распространением колебаний кристаллической решетки, на 1- 2 порядка ниже теплопроводности металлов.

Микроскопические представления об электронной теплопроводности во многом сходны с микроскопическими представлениями об электропроводности. При теплопроводности суммарного переноса электронов, т. е. электрического тока, нет. Поток тепла отличен от нуля вследствие того, что в одну сторону идут электроны, имеющие более высокую кинетическую энергию, а в другую - с более низкой кинетической энергией. В процессе теплопроводности электрон, движущийся против градиента температуры в более холодную область кристалла, переносит избыточную тепловую энергию. Эту энергию он передает решетке в результате столкновения с колебаниями решетки (рассеяние на фононах). При теоретическом рассмотрении электронной теплопроводности также можно пользоваться понятием длины свободного пробега электрона между двумя последовательными актами рассеяния.

Из тех же предпосылок, что были взяты при теоретическом расчете электропроводности, для электронной теплопроводности получается следующее выражение:

(2-6)

где N число электронов в единице объема, k-постоянная Больцмана, ℓ - длина свободного пробега электрона, _- полная скорость электрона.

Для теплопроводности λ_эл теоретически получено выражение

(2-7)

Это соотношение, характеризующее рассеяние электронов на коле­баниях решетки, справедливо для низких температур, т. е. для Т ››θд, где θд - характеристическая температура Дебая; А- атомная масса. Однако в отличие от температурной зависимости электросопротивления температурная зависимость величины 1/ λ,_эл (теплового сопротивления) не является монотонной функцией. При Т ‹‹θд величина 1/ λ _эл описывается функцией вида

^(2-8)

где β и α -постоянные. Член β/T описывает тепловое сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на примесях и дефектах решетки, член αТ² -рассеяние на колебаниях решетки (фононах) соответственно уравнению (2-7). Совместное действие этих слагаемых приводит к появлению максимума на кривой температурной зависимости теплопроводности. На рис 2-2 показана типичная кривая для меди.

Рис. 2-2. Зависимость теплопроводность меди от температуры.

При увеличении чистоты металла максимум теплопроводности смещается в сторону более высоких температур. При высоких температурах (Т ››θд), согласно теоретическим оценкам λ _эл уменьшается с ростом температуры медленнее, чем 1/T.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ, СПЛАВОВ И СОЕДИНЕНИЙ

В табл. 2-1 приведены значения теплопроводности чистых металлов при 0°С. Из таблицы видно, что наибольшей теплопроводностью характеризуются металлы, имеющие высокую электропроводность (Al, Cu, Ag, Au).

Для сравнения ниже приведены значения теплопроводности при 0 °С некоторых диэлектриков (КCl, NaCl, NaF) и полупро­водников (Si, Ge, Se, Те):

В таблице №2-2 показаны теплопроводности легированных сталей.

В таблице №2-3 показаны теплопроводности обыкновенного серого и легированных чугунов.

Таблица №2-1

Таблица №2-2

Таблица №2-3

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Знать формулу теплопроводности.

3. Описать теплопроводность легированных сталей .

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы, цели и теплопроводности чугунов.

2. Основные положения теоретических сведений.

3. Процесс анализа теплопроводности легированных чугунов.

4. Вывод.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент температуропроводности?

2. Зависимость теплопроводность меди от температуры?

3. Перечислить теплопроводность обыкновенного чугуна?

4. Перечислить теплопроводность легированных сталей?

Лабораторная работа № 3