
- •Виртуальный лабораторный комплекс по дисциплинам "материаловедение" и "металловедение"
- •Работа №1
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №2
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №3
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Часть 1. Измерение зависимости электропроводности
- •Часть 2. Измерение зависимости электропроводности
- •Работа №4
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №5
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №6
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №7
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №8
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №9
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №10
- •Краткие теоретические сведения.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №11 "Маркировка углеродистых и легированных сталей"
- •Краткие теоретические сведения.
- •Стали обыкновенного качества
- •Углеродистые качественные конструкционные стали
- •Инструментальные нелегированные стали
- •Легированные стали
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Работа №12 "Маркировка цветных металлов и сплавов"
- •Краткие теоретические сведения.
- •Алюминий и его сплавы.
- •Характеристика и описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы.
Характеристика и описание лабораторной установки.
Лабораторная
работа выполняется на виртуальном
лабораторном стенде, принципиальная
схема которого изображена на рисунке 1.
Назначение отдельных элементов стенда
разъяснено далее по тексту.
Рисунок 1 -Вид стенда на экране
Основная часть установки - трубчатый нагреватель с теплоизоляцией 1, устройство которого показано на рисунке 2.
Рисунок 2 -Трубчатый нагреватель
Нагреватель 10 окружен слоем теплоизоляции
11. По внутренней и наружной поверхностям
теплоизоляции проложены проволочные
термометры сопротивления 8 и 9 (температурный
коэффициент
=4,26
мОм/град). Измерение сопротивления
термометров производится двухканальными
миллиомметром 2. Температуру термометра
можно найти по формуле:
(3)
где - температура соответствующего термометра, С;
- температурный коэффициент, 4,26 мОм/град;
- начальное сопротивление термометра
(при 20С);
- сопротивление термометра при
С.
Для определения мощности
нагревателя служат вольтметр 3 и амперметр
4 переменного тока. Изменение напряжения
питания нагревателя осуществляется
ЛАТР-ом 5, питаемым от сети переменного
тока 6. Мощность нагревателя
находится по формуле:
(4)
Порядок выполнения работы.
1. Включить миллиомметр. Измерить начальное сопротивление термометров. Результат измерения записать. Также записать геометрические параметры теплоизолирующего слоя.
2. Включить питания нагревателя (выполняется щелчком мыши по вилке 6).
3. Для напряжений питания нагревателя, равных примерно 50В, 100В и 200В измерить сопротивления термометров. Измерения проводить с учетом значительной тепловой инерции установки. О наступлении теплового равновесия можно судить по постоянству показаний миллиомметра. (Поскольку реальный прогрев установки может занимать около 1 часа, при выполнении работы следует использовать "скачок во времени").
4. Для каждого опыта рассчитать:
- мощность нагревателя (формула 4);
- температуры наружной и внутренней поверхностей слоя теплоизоляции
(по формуле 3);
- Коэффициент теплопроводности при
средней температуре
по формуле:
Работа №5
" Плавление и кристаллизация "
Цель работы: Исследовать температурные характеристики процессов плавления и кристаллизации чистых металлов.
Краткие теоретические сведения.
Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов называется кристаллизацией. Особенностью перехода из жидкого состояния в твердое является то, что в чистых металлах он протекает при постоянных температурах, которые зависят от природы металла и давления.
Теплота, выделяющаяся при переходе металла из жидкого состояния в твердое, называется скрытой теплотой плавления. Температура кристаллизации определяется как температура, при которой свободные энергии жидкой и твердой фаз равны. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний зависит от температуры (рисунок 1).
Рисунок 1. Изменение свободной энергии
жидкого и кристаллического состояния
металла в зависимости от температуры.
Для
начала кристаллизации необходимы
условия, чтобы процесс был термодинамически
выгоден системе и сопровождался
уменьшением свободной энергии. Для
начала кристаллизации необходимо
переохлаждение металла, для расплавления
– перегревание металла. Величиной или
степенью переохлаждения называют
разность между теоретической и фактической
температурами кристаллизации (рисунок
2). Видно, что жидкость охлаждается и
температура доходит до горизонтальной
площадки (скрытая теплота кристаллизации).
По окончании кристаллизации температура
снова начинает снижаться и твердое
вещество охлаждается.
Механизм процесса кристаллизации состоит в следующем:
− вначале зарождаются мельчайшие частички зародышей кристаллов на границе раздела фаз или мелких неметаллических включениях (центрах кристаллизации);
−
Рисунок 2. Кривые охлаждения при
кристаллизации.
Температура TS называется равновесной температурой кристаллизации (плавления). Процесс кристаллизации при этой температуре не происходит, в этих условиях свободные энергии жидкого и твердого состояний равны.
Скорость всего процесса кристаллизации определяется:
− скоростью зарождения центров кристаллизации;
− скоростью роста кристаллов, которая в свою очередь определяется степенью переохлаждения.
При кристаллизации первостепенное значение имеют:
− скорость и направление отвода тепла;
− наличие неметаллических дисперстнейших частиц;
− наличие конвективных токов;
− интервал переохжладения.
Процесс кристализации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Тп на многих участках жидкого металла (рис. 3, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 3, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристалов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.
Рисунок 3 - Последовательные этапы процесса кристаллизации металла
Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 3, е).
Температуры затвердевания могут быть реализованы с очень высокой воспроизводимостью наблюдением за горизонтальной частью кривой «температура-время», характеризующей медленное затвердевание очень чистых металлов.
Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С.