книги / Физические методы исследования металлов и сплавов

также подключена к милливольтметру. Нагрев образца и эталона производится с помощью термической печи.

При нагревании образца и эталона в горячих спаях дифференциальной термопары возникают термотоки, направленные навстречу друг другу. Если эти спаи нагреты до одной температуры, то термотоки взаимно уничтожаются, а показания милливольтметра находятся на нулевом уровне. Отклонение показаний милливольтметра от нуля наблюдается, когда спаи В и Г нагреты до различных температур. Данная ситуация возникает в случае развития в образце превращения, тепловой эффект от которого вызывает запаздывание температуры образца при нагреве или при охлаждении в сравнении с температурой эталона.

Порядок проведения лабораторной работы

1. Получить вариант задания у преподавателя и перенести экспериментальные данные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Экспериментальные данные

2.Определить назначение, металлургическое качество, химический состав исследуемой стали, указанной в задании.

3.Вычислить среднюю скорость нагрева (vн) и охлаждения (vохл) по данным табл. 1.1.

4.Построить графические зависимости температуры и термоЭДС от времени отдельно для процесса нагрева и охлаждения.

5.Определить критические точки при нагреве (АС1 и АС3) и при последующем охлаждении (Аr1 и Ar3).

10

6.Описать процесс фазового перехода, развивающегося между

критическими точками при нагреве (между АС1 и АС3) и при охлаждении (между Аr1 и Ar3). Схематично зарисовать структурные изменения.

7.Оформить отчет, включая в него все полученные результаты.

8.В выводах необходимо привести:

–критические точки исследуемой стали при нагреве и охлаждении с объяснением их несоответствия друг другу;

–краткое описание процессов при фазовом превращении во время нагрева и охлаждения.

Контрольные вопросы

1.Каков принцип работы простой термопары?

2.Каков принцип работы дифференциальной термопары?

3.В чем заключаются такие термоэлектрические явления, как эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона?

4.В чем заключается методика простого термического анализа?

5.В чем заключается методика дифференциального термического анализа?

6.Какова схема установки для проведения дифференциального термического анализа?

Список рекомендуемой литературы

1.Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки сталей: учеб. пособие. – М.: Наука и техно-

логии, 2002. – 519 с.

2.Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1980. – 320 с.

3.Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справочник: в 3 т.; Т. 1: Методы испытаний и исследования / Б.С. Бокштейн [и др.]. – М.: Интермет Инжиниринг, 2004. – 687 с.

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Измерение плотности металлов и сплавов

Цели работы:

–освоить методику гидростатического взвешивания для определения удельного веса металлов и сплавов;

–изучить влияние различных факторов на удельный вес металлов и сплавов.

Краткие теоретические сведения

Плотностью называют удельную физическую величину, характеризующую массу единицы объема тела – удельный вес. Для определения плотности используют выражение:

где m – масса тела, кг; V – объем тела, м3. Плотность измеряется в кг/м3.

Теоретическое определение плотности

Для вычисления теоретической плотности металлического материала сначала необходимо определить тип кристаллической решетки металла (рис. 2.1). Затем следует рассчитать количество ионов Nяч, которое приходится на одну элементарную ячейку. При этих расчетах нужно учитывать, что каждый ион, расположенный в вершине куба, принадлежит данной элементарной ячейке только на 1/8 или, другими словами, один такой ион одновременно принадлежит восьми ячейкам (рис. 2.2). Если ион располагается в центре грани, то он только на 1/2 принадлежит данной элементарной ячейке, т.е. делится между двумя соседними ячейками. Ионы, расположенные в центре объема, полностью принадлежат данной ячейке.

Таким образом, количество ионов в ячейке можно рассчитать по формуле:

12

Рис. 2.1. Типы кристаллических решеток: Z– P-кубическая; [– объемноцентрированная кубическая (ОЦК); \– гранецентрированная кубическая (ГЦК); ]– гексагональная компактная (ГК)

Рис. 2.2. Р-кубическая элементарная ячейка (серым цветом отмечены части ионов в вершинах куба, приходящиеся на данную элементарную ячейку)

Далее производится расчет массы одной элементарной ячейки:

где mи – масса иона, кг.

13

Затем определяется объем кубической элементарной ячейки по формуле для объема куба:

где Z– параметр кристаллической решетки, или длина грани куба, м. В завершение расчетов для определения теоретической плотности металла нужно подставить полученные значения массы mяч и

объема Vяч элементарной ячейки в формулу (2.1).

Следует отметить, что для наиболее точного определения плотности металла для последующего сопоставления с экспериментальными данными необходимо учесть явление термического расширения, наличие дефектов кристаллического строения, примесей и легирующих элементов, так как полученное значение теоретической плотности будет соответствовать исследуемому чистому металлу с идеальной кристаллической решеткой при 0 К.

Экспериментальное определение плотности

Для экспериментального определения плотности различных материалов применяют такие методы, как флотационный, пикнометрический и метод гидростатического взвешивания.

N e h l Z p b fh _g lgизмеренияhu^c плотности заключается в достижении флотационного равновесия между рабочей жидкостью и исследуемым материалом, что означает равенство их плотностей. Затем определяют плотность рабочей жидкости. Этот метод применяется для материалов с малой плотностью (легких металлов и сплавов, пластмасс, древесины).

I b d g h f _ l j bf q_ l hkизмерения^d b c плотности заключается в определении массы используемого прибора (пикнометра), заполненного рабочей жидкостью до определенного уровня, до погружения в него исследуемого вещества и после погружения. При этом верхний уровень рабочей жидкости сохраняют одинаковым. Данный метод используется для измерения плотности твердых тел, жидко-

14

стей и газов. Его применение широко распространено в нефтеперерабатывающей промышленности.

F _ l h] b ^ j h k l Z l b q^ \ a \k d h ] hr b \ Z g b yпозволяет определить плотность образцов любой геометрической формы. Этот метод основан на законе Архимеда, который заключается в том, что на погруженное в жидкость тело действует сила, равная весу вытесненной жидкости. В процессе измерения образцы сначала взвешивают на аналитических весах (рис. 2.3) на воздухе для определения их массы. Далее их взвешивают во вспомогательной (рабочей) жидкости с известной плотностью.

Рис. 2.3. Общий вид аналитических весов*: 1 – система рычагов; 2 – малый лимб; 3 – большой лимб; 4 – стрелка весов; 5 – световой экран;

6 – чаши весов; 7 – установочные винты; 8 – регулировочный винт; 9 – арретир; 10 – базисная доска; 11 – демпферы; 12 – левая дверца

Если за Jпринять вес исследуемого образца в воздухе, а за p – вес этого же образца во вспомогательной жидкости, то в соответствии с законом Архимеда разница между этими весами равна весу вытесненной жидкости:

* http://kilogramus.ru/vzveshivanie-v-laboratorii/analiticheskie-vesy-2.html

15

где g – ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с2; ρж – плотность вспомогательной жидкости, кг/м3.

Тогда объем образца можно вычислить по формуле:

Вес образца связан с его массой следующим выражением:

Подставив выражение (2.6) в (2.1) с учетом (2.7), получим формулу для вычисления плотности исследуемого образца:

где mж – масса образца во вспомогательной жидкости, кг. Удельный объем v обратно пропорционален плотности (удель-

ному весу):

Для определения массы исследуемого образца на воздухе проводят его взвешивание на аналитических весах (см. рис. 2.3) без применения дополнительных приспособлений.

Далее определяют массу образца во вспомогательной жидкости (рис. 2.4). Для этого на аналитических весах 1 подвешивают образец 2 на тонкой капроновой нити 3 и погружают его в емкость 4 с жидкостью (дистиллированной водой). Данная емкость установлена на специальной подставке 5, которая опирается на корпус весов, а чаша при этом остается ненагруженной. Образец погружают в емкость таким образом, чтобы он находился ниже уровня вспомогательной жидкости и не касался стенок и дна емкости. Температуру рабочей жидкости определяют термометром 6.

16

Рис. 2.4. Схема гидростатического взвешивания: 1 – аналитические весы; 2 – образец; 3 – капроновая нить; 4 – емкость со вспомогательной жидкостью; 5 – подставка; 6 – термометр

Порядок проведения лабораторной работы

1.Получить у преподавателя образец металла.

2.Подвесить образец на тонкой капроновой нити.

3.Взвесить образец в воздухе, а затем во вспомогательной жидкости – дистиллированной воде. Следить за правильным расположением образца в емкости и отсутствием пузырьков воздуха на поверхности образца при взвешивании в жидкости.

4.Определить температуру вспомогательной жидкости с точностью до 0,1 °С.

5.Найти плотность вспомогательной жидкости с использованием табл. 2.1.

6.Вычислить удельный вес и удельный объем образца по формулам (2.8) и (2.9). Занести результаты в табл. 2.2.

7.Определить материал образца по справочным данным табл. 2.3.

8.Определить теоретическую плотность исследуемого металла

ивнести данные в табл. 2.4.

9.Оформить отчет, включая в него все полученные результаты.

10.Написать выводы по работе. В выводах необходимо сопоставить полученные экспериментальные и теоретические результаты со справочными данными.

17

Таблица 2.1

Плотность (г/см3) дистиллированной воды при различных температурах