Определение плотности материалов

Инженерная школа новых производственных технологий

Отделение материаловедения

Направление подготовки – Материаловедение и технологии материалов

Лабораторная работа №5

по курсу «Механические и физические свойства материалов»

Определение плотности материалов

Выполнил:

Савкин Матвей Александрович

студент группы № 4Б91

Проверил:

к. т. н., доцент ОМ

Матренин С.В.

Цель работы

Научиться определять плотность различных материалов, пикнометрическую плотность порошков, с использованием метода измерения линейных размеров образцов.

Описание лабораторного оборудования

Весы лабораторные с погрешностью взвешивания не более 0,0005 г, штангенциркуль, микрометр, пикнометр, пинцет, образцы различных материалов (алюминий, спеченный молибден с хромовым покрытием, сталь 40, альфа модификация оксида алюминия Al2O3 , полиэтилен с окисью хрома, сталь неизвестной марки, оксид циркония ZrO2), вода дистиллированная, бензин.

Теоретическое введение

Плотность – это масса единицы объема вещества. Расчётная формула имеет следующий вид:

[pic 2]

где

ρ – плотность материала,

m – масса тела,

V – объем тела.

Соответственно формуле, размерность плотности может быть кг/м3, г/см3  и т.д.

Плотность – важная характеристика материалов. Плотность материалов определяет вес изделий и конструкций, что важно в космической технике, самолетостроении и многих других случаях. Часто важно оптимальное сочетание плотности и прочности, плотности и электропроводности и т.д. Так, титановые сплавы, как материалы конструкционного назначения, могут быть предпочтительнее сталей, так как при немного меньшей прочности они почти вдвое легче, чем сталь. В электротехнике алюминий может быть предпочтительнее меди, так как, имея удельное электросопротивление примерно в полтора раза больше, чем медь, алюминий более чем втрое легче ее.

Теоретическую плотность чистого металла можно рассчитать, если известны тип и параметры его кристаллической решетки и атомная масса. Например, алюминий имеет решетку ГЦК, параметр а (длина ребра куба элементарной кристаллической ячейки) 0,404 нм, атомная масса 26,98 (атомных единиц массы). Плотность упаковки (ПУ) такой решетки, то есть количество атомов, приходящихся на одну ячейку равно 8·1/8+6·1/2=4: 8 атомов в вершинах куба, принадлежащих на 1/8 данной ячейке и 6 атомов в центрах граней, принадлежащие каждый на 1/2 данной ячейке. Следовательно, объем элементарной ячейки алюминия равен а3, а масса атомов в ней – 4·А·1,66·10-24 г, где

А – атомная масса алюминия,

1,66·10-24 = 1/NA  – масса в граммах одной атомной единицы массы (1/12 атомной массы изотопа С12). Таким образом, теоретическая плотность алюминия

ρ = m/V = 4·26,98·1,66·10-24 г/ (0,404·10-7 см)3 = 2,727 г/см3, что соответствует справочным данным.

Реальная плотность зависит от состава, структуры, обработки материала. Так, при холодной пластической деформации увеличивается плотность дислокаций, в результате чего плотность материала уменьшается. При пластической деформации литого металла плотность может увеличиться за счет уменьшения усадочной пористости. При закалке чистых металлов или, например, облучении, в них может фиксироваться повышенная концентрация вакансий, что также может уменьшить плотность. При закалке стали на мартенсит, исходная объемноцентрированная кубическая решетка (ОЦК) меняется на более «рыхлую» тетрагональную объемноцентрированную (мартенсит), что приводит к уменьшению плотности. При отжиге таких металлов, в них происходят обратные изменения (уменьшение плотности дислокаций, уменьшение концентрации вакансий, образование более плотноупакованной решетки), в результате чего плотность увеличивается. Это означает, что, определяя плотность, можно исследовать изменения структуры металлов при различных вариантах их обработки.