Порядок выполнения работы. 1. Бакалавры объединяются в группы из трех человек

Цель работы: научиться определять плотность материалов и шлявлять ее взаимосвязь с другими свойствами.

Приборы и инструмент: весы торговые РН-10Ц13У и электронные XJ-2K81 OS, ультразвуковой прибор «Пульсар 1.1», штангенциркуль, линейки.

Образцы материалов: алюминий, медь, сталь, титан, латунь, свинец, кирпич силикатный и керамический, мрамор, бетон, керам- штобетон, древесина, пенопласт...

Порядок выполнения работы:

1. Получить образец материала (один на группу из трех бака­лавров).

2. Сделать эскиз образца с указанием размеров (в мм) и вычис­лить объем образца (в см³).

3. Взвесить образец, г.

4. Рассчитать плотность материала, г/см³.

5. Измерять скорость распространения ультразвуковых волн Vp* по материалу образца (м/с), модуль упругости Юнга Е (ГПа), ошибку измерения Я (%) и коэффициент вариации W (%).

6. По литературным данным выявить влияние плотности мате­риалов на свойства материалов.

2.1. Плотность материала

Знание плотности материалов и других параметров, характери­зующих взаимосвязь между массой и объемом, необходимо в строи­тельстве, промышленности, сельском хозяйстве и торговле, а также при проведении научно-исследовательских работ с целью:

- определения количества, дозирования, учета расхода материа­лов и готовой продукции;

- расчета грузоподъемности выемочно-погрузочных и транс­портных машин;

- определения прочности конструкций и решения других инже­нерных и экономических задач.

*3десь и далее обозначения величин приняты в соответствии с используемыми в паспортах приборов.

Плотность - мера количества вещества т в единице объема V:

Различают истинную, среднюю, насыпную и относительную плотности материалов.

Истинная плотность - масса единицы объема абсолютно плот­ного материала, т.е. это плотность материала без пор.

Средняя плотность (г/см³ или кг/м³, далее - плотность) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами).

Насыпная плотность - масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, щебня...).

На практике удобно сравнивать плотность материала с плотно­стью воды, составляющей 1000 кг/м³ (1 г/см³) при температуре 4 °С, т.е. используется относительная плотность.

Минимальную плотность имеют газы, а максимальную - метал­лы и каменные материалы (прил.1).

Имеется несколько способов определения плотности материа­лов: гидростатического взвешивания и пикнометрирования, взвеши­вания в воздухе и метод денсинтометра.

Самым простым и распространенным способом, но обеспечи­вающим меньшую точность является определение плотности весо­вым методом в воздухе.

Порядок определения плотности материала весовым методом следующий:

1. Взвешивают образец.

2. Определяют размеры образца.

3. Вычисляют объем образца.

4. Рассчитывают плотность материала.

2.2. Упругость материала

Материалы в конструкциях работают на растяжение, сжатие, изгиб или кручение, испытывая соответствующие деформации.

Напряжение - мера внутренних сил, возникающих при дефор­мации материала, представляющая собой отношение усилия Р (растяжения или сжатия) к площади F поперечного сечения образца или детали:

Упругость - свойство материала восстанавливать свою форму и объем при прекращении внешних воздействий. Упругость - это очень важная характеристика материалов, так как от нее зависит жесткость конструкции. Она обусловлена взаимодействием между атомами и молекулами и их тепловым движением. Плотность мате­риалов определяет во многом значения других показателей, в том числе и их упругость.

Количественных характеристик упругих свойств материалов несколько; важнейшими из них являются модуль упругости Юнга (модуль продольной упругости) Е и коэффициент Пуассона v (модуль поперечной упругости).

Модуль Юнга Е представляет собой меру жесткости материала и отражает сопротивляемость материала упругой деформации. Он практически не зависит от структуры материала и хорошо коррелируется с температурой его плавления. Жесткость конструкции повышается с увеличением модуля упругости.

Коэффициент Пуассона отражает соотношение между продольными и поперечными деформациями. Величина этого коэффициента для материалов находится в пределах 0, 2...0, 45, составляя для большинства металлов ~ 0, 3.

Начальный участок диаграммы растяжения представляет собой прямую линию. Крутизна этого участка (отношение напряжения к деформации) является характеристикой металла - модулем упруго­сти Юнга (модулем Е).

Модуль Юнга Е - отношение величины напряжения ст к вы­званной им относительной деформации е (рис. 2.1):

.

Относительное удлинение (сжатие) г испытываемого материала определяется по формуле

,

где l и lо — длины образца, соответственно, после растяжения и на­чальная.

Коэффициент Пуассона представляет собой отношение относительных деформаций, т.е. поперечной продольной :

.

Жесткость – способность материала сопротивляться изменению размеров и формы при заданной нагрузке. Чем больше жесткость материала образца или детали, тем меньше изменения формы и размеров испытывают они при нагружении (рис.2.2).

Рис. 2.1. Изменение напряжения от относительного удлинения е материалов

Рис. 2.2. Схема изменения длины а в зависимости от относительного / и диаметра d образца при его растяжении силой Р

2.3. Ультразвуковой метод определения модуля упругости Юнга

Модуль упругости определяют по диаграмме растяжения образца или ультразвуковым методом.

Ультразвуковой метод основан на зависимости скорости распространения Fp ультразвуковых колебаний (частота выше 20 кГц) в материалах от их упругости Е и плотности р:

*Формула и обозначения величин приняты из руководства по эксплуатации ультразвукового прибора «Пульсар 1.1».

м/с,

где E - модуль упругости Юнга, ГПа; р - плотность материала, кг/м³; А: - коэффициент взаимосвязи.

Челябинское научно-производственное предприятие «Интер­прибор» выпускает большую номенклатуру малогабаритных прибо­ров для неразрушающего контроля строительных материалов. В ла­бораторных работах № 2...№ 5 используются некоторые из них: приборы для определения прочности бетонов «Оникс-2.51», влаж­ности ВИМС-2.1 и теплопроводности материалов МИТ-1 и ИТС-1, плотности тепловых потоков и температур ИТП-МГ4.03/Х(У) «По­ток», ультразвуковой прибор «Пульсар-1.1», двухканальный гигро­метр ТЕМП-3.2.1.

Достоинства этих приборов:

1. Применяются в качестве инструментальных методов нераз­рушающего контроля.

2. Дисплей и управление процессом измерения этих приборов построены по одинаковым принципам.

3. Приборами выполняется первичная обработка информации (определяются среднее значение и ошибка измерений, строятся графики), проводится ее накопление и обеспечивается связь с ком­пьютером.

4. Для повышения точности измерений в программу вводится название исследуемого материала, тем самым закладываются неко­торые его основные характеристики.

5. Приборы фиксируют значения физических величин (темпе­ратуры, скорость и т.д.), которые далее пересчитывается в опреде­ляемые характеристики материала (теплопроводность, проч­ность...).

При пользовании прибора Пульсар-1.1 вначале устанавливают­ся исходные параметры:

- в пункте «режим работы» - поверхностное или сквозное про-звучивание;

- в пункте «материал» - вид испытываемого материала;

- в меню «калибровка» - измеряемый параметр: скорость ультразвука, плотность, прочность и др.;

- в подменю «коэффициенты характеристик» - задать (ранее определенные опытным путем) коэффициенты для пересчета зави­симости «скорость распространения УЗК - измеряемый параметр».

Кроме электронных приборов в работах используются также простейшие измерительные средства, такие как весы рычажные и электронные, линейки и штангенциркули.

Характеристика ультразвукового прибора «Пульсар 1.1»

Прибор «Пульсар 1.1» предназначен для определения времени и скорости распространения ультразвуковых волн (УЗВ) в твердых материалах при поверхностном, угловом и сквозном прозвучиваниях (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схемы прозвучивания материалов

1. Основные области применения прибора «Пульсар 1.1»:

2. Определение прочности бетона (ГОСТ 17624-87).

3. Определение прочности кирпича и камней силикатных (ГОСТ 24332).

4. Обнаружение дефектов в бетонных сооружениях.

5. Определение глубины трещин.

6. Оценка пористости, трещиноватости и анизотропии компо­зитных материалов.

7. Определение модуля упругости и плотности.

8. Контроль качества дорожных покрытий.

В меню прибора указаны основные виды контролируемых ма­териалов:

· бетоны;

· кирпичи;

· абразивы;

· другие материалы, задаваемые пользователем.

Основные функции прибора:

1. Способы прозвучивания: сквозное и поверхностное (см. рис. 2.3).

Рис. 2.4. Вид электронного блока: 1 - вход приемного преобразователя; 2 - Выход излучающего преобразователя

2. Виды акустического контроля:

- сухой контакт с коническими титановыми наконечниками или полиуретановыми протекторами;

- полиуретановыми протекторами и с контактной смазкой. Ультразвуковой прибор обеспечивает измерение времени

сквозного прохождения ультразвуковых колебаний через образец.

Для проведения исследований используются образцы материа­лов в виде стержня квадратного или круглого сечения. Требования к размерам образцов:

L> d\ d> 0, 34b,

где L и d - длина и диаметр (ширина) образца, мм; X - длина волны ультразвуковых колебаний, м.

Клавиатура прибора состоит из 9 клавиш (см. рис. 2.4). Клавиша «О» используется для включения и выключения прибора. Если изме­рения не выполняются, происходит автоматическое отключение прибора через заданное оператором время.

Клавиша «М» служит для перевода прибора из режима меню в режим измерения (measuring), а также для фиксации очередного ре­зультата в памяти (memory).

Клавиша «F» является функциональной и предназначена для:

- входа в главное меню из режима измерения;

- входа и выхода из пунктов главного меню и подменю.

Клавишами «< —», «->» управляется курсор (мигающий знак, цифра и т.п.) в режиме установки параметров работы и осуществляется про­смотр памяти результатов по номерам из режима измерения.

Клавиши «Т», «4’» предназначены для:

- выбора строки меню;

- просмотра памяти результатов по датам из режима измерения;

- установки числовых значений (кратковременное нажатие изменяет значение на единицу, а при удержании происходит непре­рывное увеличение числа).

Клавишей «С» выполняется проверка на контрольных образцах, включение курсора при установке даты и времени, удаление резуль­тата непосредственно после его получения.

Клавиша «-4р» (подсветка) включает (выключает) подсветку ин­дикатора. Используется совместно с другими клавишами, т.е. при ее удерживании нажимается другая клавиша.

Модуль упругости материала определяется с использованием режима сквозного прозвучивания в следующей последовательности:

1. Включить прибор клавишей «О».

2. Измерить линейкой или штангенциркулем размер контроли­руемого образца материала (расстояние между излучателем и при­емником) и ввести это значение через пункт главного меню «База измерения».

3. В меню «Режим работы» указать «Сквозное прозвучивание».

4. В меню «Установки» указать число измерений в серии (на­пример, 6). В этом случае после шести последовательных измерений прибор покажет среднее значение измеряемого параметра R, коэффициент вариации W и относительную ошибку измерений Н.

5. В меню «Материал» указать клавишами «< -», «-> >» материал (бетон, кирпич, абразив, разные), а клавишами «Т», «4» - состав или вид исследуемого материала.

6. В меню «Калибровка» указать «Коэффициенты характеристик» (см. пример для бетона тяжелого). При измерении модуля упругости необходимо задавать коэффициенты для пересчёта зависимости «скорость распространения - модуль упругости» в следующем виде:

где Е - модуль упругости; V - скорость ультразвука, м/с; у - плот­ность материала, г/см³; < р - коэффициент.

7. Установить датчики на контролируемый объект. В процессе измерений оператор прижимает усилием 5...10 кг излучатель и приемник к контролируемому объекту до получения устойчивых показаний.

8. Убедиться в отсутствии грубых отклонений показаний от ожи­даемого уровня и при стабильных показаниях нажать клавишу «М», зафиксировав в памяти этим результат.

9. Снять датчик с объекта измерения, при этом показания на дисплее автоматически удерживаются до очередного прижатия.

10. Далее повторить измерения на других участках объекта, каждый раз фиксируя результат нажатием клавиши «М», последний результат серии фиксируется клавишей «М» с выдачей среднего значения серии измерений R, ошибки измерения Н и коэффициента вариации W. Выполняются шесть измерений, при этом датчики каж­дый раз переставляются.

Для получения более точного результата измерения рекомендуется удерживать датчик на объекте в течение 10,..30 с, наблюдая за сменой показаний и фиксируя результат по максимальной скорости ультра­звука; разброс показаний вызван недостаточной плотностью акустиче­ского контакта и неизбежными помехами, поэтому при измерениях датчик должен быть неподвижен.

Содержание отчета

1. Наименование образца (брусок, цилиндр)...

2. Материал образца...

3. Эскиз (аксонометрия или 2...3 вида) образца с указанием размеров в мм.

4. Объем образца: V=... см³.

5. Результаты взвешивания образца:

6. Плотность материала

.

7. Способ получения материала: сырье..., основные технологи­ческие операции производства... и использование его...

8. Результаты определения скорости распространения ультра­звука по материалу...:

Средние значения: F_p=... м/с, Е =... ГПа.

Среднее квадратическое ст =…………Ошибка измерений Н =...%,

Коэффициент вариации W=...%.

9. Сводная таблица определения характеристик материалов:

10. Диаграммы Парето по плотности р, скорости распростране­ния ультразвука F_p и модулю Е упругости Юнга материалов.

11. Влияние увеличения плотности материалов на повышение (Т) или снижение (4) других показателей: прочности...; твердости..транспортных расходов...; теплопроводности X...

Заключение по материалу звена...

Работу выполнил Группа Дата

3 Теплотехнические свойства материалов