Физические свойства материалов. Расчет и методы определения плотности твердых материалов

649

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА МЕХАНИКИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.

РАСЧЕТ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания

к лабораторным занятиям по дисциплине

«Материалы бытовой техники»

Составитель Н.В. Тарасова

Липецк

Липецкий государственный технический университет

2012

УДК 620.22(07)

Т 191

Рецензент: кандидат химических наук, доцент – С.Н. Салтыков

Тарасова, Н.В.

Т 191 Физические свойства материалов. Расчет и методы определения

плотности твердых материалов [Текст] / сост.: Н.В. Тарасова. – Ли-

пецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. – 24 с.

Методические указания предназначены для студентов направления подготовки «Сервис». Содержат краткие теоретические сведения о методах определения плотности твердых материалов и принципах расчета плотности поликристаллических материалов, а также порядок выполнения лабораторной работы и индивидуального практического задания.

Табл. 4. Рис. 2. Библиогр.: 5 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2012

2

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Нормативные ссылки

ГОСТ 8433-81. Вещества вспомогательные ОП-7, ЩП-10. Технические условия.

ГОСТ 12730.1-78. Бетоны. Метод определения плотности.

ГОСТ 15139-69. Пластмассы. Метод определения плотности.

ГОСТ 18898-89 (ИСО 2738-87). Изделия порошковые. Метод определения плотности, содержания масла и пористости.

ГОСТ 20018-74 (ИСО 3369-75). Сплавы твердые спеченные. Метод определе-

ния плотности.

ГОСТ 24100-80. Сырье для производства песка, гравия и щебня из гравия для строительных работ. Технические требования и методы испытания.

ГОСТ 26798.1-85. Цементы тампонажные. Методы испытаний.

ГОСТ 27015-86. Бумага и картон. Метод определения толщины, плотности и удельного объема.

Теоретическая часть

Плотность – мера количества вещества (массы) в единице объема: ρ = т/V, кг/м3.

Объемная плотность (Ve, кг/м3) – величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты:

ρоб = m/Ve.

Знание плотности материалов, а также других параметров, характеризу-

ющих взаимосвязь между массой и объемом, необходимо в промышленности,

сельском хозяйстве, торговле для технико-экономического регулирования про-

цессов, а также при проведении разнообразных экспертных и научно-

исследовательских работ, например:

3

–при измерении количества, дозировании, учете расхода материалов и готовой продукции;

–для расчета грузоподъемности выемочно-погрузочного и погрузочно-

доставочного оборудования;

– для определения прочности конструкций и для других жизненно важ-

ных инженерных и экономических задач.

Численные значения плотности практически всех материалов и веществ,

использующихся в экономике страны, в том числе горных пород, содержатся в Государственной системе стандартных справочных данных. Эти значения яв-

ляются обязательными показателями, устанавливаемыми в паспортах на мате-

риалы, технических условиях и государственных стандартах качества продук-

ции. Методы определения плотности материалов с учетом их физико-

химических особенностей установлены в государственных стандартах.

Цель лабораторной работы – изучить стандартные методы определения плотности твердых материалов гидростатическим взвешиванием, пикнометри-

рованием и с помощью денситометра.

1. Метод гидростатического взвешивания Для определения плотности методом гидростатического взвешивания

применяют:

–весы с разновесами, имеющие погрешность не более 0,001 г;

–устройства для взвешивания в воде, состоящие из сосуда с жидкостью и проволоки или корзинки для погружения образца в жидкость.

Проволока для подвешивания образца к коромыслу весов изготавливается из некорродирующего материала диаметром не более 0,25 мм. Корзинку, как правило, изготавливают из такой же проволоки. В качестве жидкости для взве-

шивания применяют дистиллированную или деионизированную и предпочти-

тельно дегазированную воду, к которой добавляют одну или две капли специ-

ального вещества для улучшения смачиваемости. Допускается применение вместо воды других жидкостей (ГОСТ 8433-81), если их плотность в установ-

4

ленном для испытания интервале температур известна до четвертого знака по-

сле запятой.

Для испытаний применяют образцы объемом не менее 0,5 см3. Если объ-

ем одного образца менее 0,5 см3, то для определения плотности отбирают не-

сколько таких образцов суммарным объемом не менее 0,5 см3, при этом объем каждого из образцов должен быть не менее 0,05 см3.

Для определения плотности методом гидростатического взвешивания об-

разец взвешивают в воздухе и в воде, при этом погрешность должна быть не более 0,001 г. Для взвешивания в воде образец укрепляют на нити, проволоке или помещают в корзинку, затем погружают его в сосуд с водой таким образом,

чтобы он был полностью покрыт водой. Глубина погружения должна быть не менее 10 мм от верха образца. На образце (нити, проволоке, корзинке) не долж-

но быть пузырьков воздуха.

При выполнении опытов необходимо:

1)перед каждым взвешиванием проверять установку на нуль весов, когда нить (проволока, корзинка) для подвески образцов погружена в воду;

2)предварительно погружать образец (проволоку, корзинку) в воду для удаления пузырьков воздуха.

Плотность материала по результатам гидростатического взвешивания

где Р1 – вес образца в воздухе, Н;

Р2 – вес образца в жидкости, Н;

ρж – плотность жидкости, кг/м3;

рв – плотность воздуха, кг/м3.

2. Метод пикнометрирования Для определения плотности пикнометрированием применяют:

– электронные весы с погрешностью не более 0,001 г;

5

–пикнометр;

–дистиллированную воду или другую жидкость с известной плотностью.

Наиболее широко применяются пикнометры в виде колбы с меткой на горловине. Метка служит для контроля уровня жидкости.

Масса образца должна составлять 20÷40 г.

Для определения плотности пикнометрическим методом образец взве-

шивают на воздухе с погрешностью не более 0,001 г. Пикнометр наполняют во-

дой до метки и взвешивают его с водой с указанной выше погрешностью. За-

тем, освободив пикнометр от воды, помещают в него взвешенный образец и снова наполняют водой до метки. Легким потряхиванием пикнометра удаляют из него пузырьки воздуха. На образце не должно быть пузырьков воздуха.

Взвешивают пикнометр с водой и погруженным в нее образцом с погрешно-

стью не более 0,001 г.

Плотность материала по результатам взвешивания рассчитывают по формуле

где Р1 – вес образца в воздухе, Н;

Р2 – вес пикнометра с жидкостью, Н;

Р3 – вес пикнометра с жидкостью и погруженным в нее образцом, Н;

ρж – плотность жидкости, кг/м3;

рв – плотность воздуха, кг/м3.

3. Метод денситометра Для определения плотности твердых материалов в диапазоне от 1000 до

7500 кг/м3 применяют денситометры. Денситометр – это циферблатные весы,

шкалы которых проградуированы в единицах плотности (г/см3). Денситометр имеет коромысло, стрелку и подвески.

Для определения плотности материала образец подвешивают на правое плечо коромысла. С помощью разновесов уравновешивают стрелку коромысла

6

на отметке «И» на шкале денситометра. Затем подводят снизу под образец со-

суд с дистиллированной водой и, удерживая с помощью подставки образец пол-

ностью погруженным в воду, отмечают величину плотности, указываемую стрелкой на используемой шкале денситометра.

Измерения повторяют не менее трех раз и по их результатам определяют среднее арифметическое значение плотности.

Порядок выполнения работы

1.Определить плотность твердых материалов по указанию преподавателя

всоответствии с приведенными выше методами.

2.Определить плотность дистиллированной воды и воздуха в соответ-

ствии с данными таблиц 1 и 2, измерив их температуру с погрешностью до 1°С.

Таблица 1 Значения плотности сухого воздуха, кг/м3, в зависимости от давления (Р) и температуры (t)

3. Результаты определения плотности материалов оформить в виде таблиц:

а) гидростатическое взвешивание

Требования к оформлению отчета

Отчет по лабораторной работе должен включать:

–название работы;

–цель работы;

–теоретическую часть, содержащую основные сведения о методах определения плотности твердых материалов гидростатическим взвешиванием, пикнометри-

рованием и с помощью денситометра;

– практическую часть, содержащую результаты определения плотности матери-

алов различными методами;

– вывод, кратко отражающий результаты лабораторной работы.

8

Практическое расчетное задание РАСЧЕТ ПЛОТНОСТИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Термины и определения

Плотность – мера количества вещества (массы) в единице объема: ρ = т/V, кг/м3.

Плотность, определенная для однородных веществ, может рассматри-

ваться как теоретическая. Плотностью, близкой к теоретической, обладают,

как правило, металлы, жидкости, некоторые полимеры и др. Для неоднородных веществ используют понятие «средняя плотность».

Объемная плотность (Vе, кг/м3) – величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты:

ρср = m/Vе.

Для инженерных расчетов используются понятия «относительная плот-

ность» и «насыпная плотность».

Относительная плотность – отношение плотности вещества ρ к плот-

ности эталонного вещества ρэт при определенных внешних условиях:

ρот = ρ/ρэт.

Плотность твердых и жидких материалов обычно сравнивают с плотно-

стью воды при температуре 4 °С (1000 кг/м3).

Насыпная плотность ρн – масса единицы объема свободно насыпанных дисперсных материалов (например, цемент, песок, минеральная вата и др.).

Сингония кристаллов – классификационный признак симметрии эле-

ментарной ячейки кристалла, характеризующийся соотношениями между ее параметрами.

Плотность – свойство материалов, характеризующее соотношение меж-

ду массой и объемом и в значительной мере определяющее их потребительские

9

свойства, а также экономические показатели производства и реализации товар-

ной продукции.

Методы определения объемной, относительной и насыпной плотности твердых материалов условно можно разделить на две основные группы: объем-

но-весовые и основанные на использовании физических констант. Методы определения средней плотности твердых материалов изложены в лабораторной работе. Теоретическую плотность кристаллических веществ наиболее точно определяют с помощью рентгенографического метода (рассчитанная таким об-

разом плотность носит название рентгенографической).

Рентгенографический метод определения плотности обладает рядом пре-

имуществ: не требует специальных приборов, устройств и приспособлений для определения массы и размеров образца, не зависит от других физических свойств вещества (достаточно микронавески порошкового образца массой не более 1 г).

Цель настоящей работы – изучить методику расчета плотности кри-

сталлических веществ, используя результаты рентгенографического экспери-

мента, и рассчитать рентгенографическую плотность заданного кристалличе-

ского вещества.

Основы теории

1.Параметры, сингония и объем элементарной ячейки

Вприроде твердые вещества могут находиться в аморфном и кристалли-

ческом состоянии. В аморфных веществах атомы (молекулы) расположены беспорядочно, произвольно. Для кристаллических веществ характерно упоря-

доченное взаимное расположение атомов, ионов и молекул. К кристаллическим веществам относятся металлы и их сплавы в твердом состоянии.

Строение кристаллического вещества графически изображается в виде кристаллической решетки, которая состоит из элементарных ячеек. Элементар-

ные ячейки по признаку симметрии делятся на семь сингоний, каждая из кото-

10