Физические свойства металлов: Методические указания к выполнению лабораторных работ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра

материаловедения и технологии художественных изделий

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет

технологии веществ и материалов

С п е ц и а л ь н о с т и : 150501.65 - материаловедение в машиностроении 261001.65 - технология художественной обработки материалов

Санкт-Петербург 2006

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 669: 539(076.5) ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ: методические указания к выполнению лабораторных работ. - С-Пб.: СЗТУ, 2006. - с. 38. Настоящие методические указания составлены в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования. Содержат описание шести лабораторных работ, посвященных изучению физический свойств металлов и сплавов. Методические указания позволяют усвоить сущность предстоящей работы и самостоятельно решать поставленные в ней задачи. Указаниями можно также руководствоваться при выполнении дипломных работ исследовательского характера, связанных с определением физических свойств. Рассмотрено и утверждено кафедрой материаловедения и технологии художественных изделий 10 мая 2006 г.; одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов 22 мая 2006 г. Р е ц е н з е н т ы: кафедра материаловедения и технологии художественных изделий СЗТУ (зав. кафедрой Е.И.Пряхин, д-р техн. наук, проф.); Лексовский А.М., д-р физ-мат. наук, проф., зав. лабораторией «Физики прочности композиционных материалов» Физико-Технического инта им. А.Ф. Иоффе РАН. С о с т а в и т е л и: В.Н. Барсуков, канд. техн. наук, проф.; А.В. Сивенков, доцент.

© Северо-западный технический университет, 2006 © Барсуков В.Н., Сивенков А.В., 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Механические и физические свойства материалов, часть II»: «Физические свойства металлов», студентами 4 курса специальности 150501.65 и по дисциплине «Технология конструкционных материалов, часть III»: «Механические, физические свойства и испытания материалов», студентами 3 курса специальности 261001.65. Количество и перечень выполняемых работ варьируются в зависимости от специальности студентов.

Описание лабораторных работ содержит основные теоретические положения и порядок выполнения работ, позволяющий самостоятельно выполнять работы на описанном оборудовании. Для полного и более глубокого освоения материала в конце каждой лабораторной работы имеется ссылка на страницы соответствующих разделов учебников. Работа 1 ПОСТРОЕНИЕ ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАГНИТНО-МЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ НА БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ I. Цель работы 1. Ознакомление с основными магнитными характеристиками. 2. Ознакомление и практическое овладение баллистическим методом определения магнитных характеристик. 3. Изучение магнитных характеристик одного из магнитно-мягких материалов. II. Содержание работы Основные представления и единицы измерения. Электрический ток определенной силы в любой среде создает магнитное поле одной и той же напряженности H, которая не зависит от магнитных свойств среды. Определяющее уравнение для напряженности магнитного поля в центре соленоида длиной l c n витками, H = I ⋅n , [А/м] (1.1) l где I – сила тока, А. Магнитное поле создает в среде магнитный поток Ф, прямо пропорциональный магнитным свойствам среды, напряженности магнитного поля и площади поперечного сечения S , которую он пронизывает:

4

Ф = µа ⋅ H ⋅ S ,

[Вб]

(1.2)

где µа – абсолютная магнитная проницаемость среды, Г/м. Определяющее уравнение для магнитного потока Ф=Q⋅r, (1.3) где Q – количество электричества; r - сопротивление. Плотность магнитного потока В = Ф, [T] (1.4) S называется магнитной индукцией. Абсолютная магнитная проницаемость определяется из (1.2) и (1.4) µa = B , [Г/м] (1.5) H Магнитный поток, сцепленный с контуром Ф=L⋅I, (1.6) где L – индуктивность контура; I - сила тока. Абсолютная магнитная проницаемость может быть выражена через магнитную постоянную – абсолютную магнитную проницаемость вакуума µ0 и относительную магнитную проницаемость µ (безразмерную величину): µа=µ0⋅µ. (1.7) Величина µ0 устанавливается на основании определения Ампера как силы не изменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии d = 1 м один от другого в вакууме, вызывает силу взаимодействия между этими проводниками F = 2⋅10-7 Н на каждый метр длины: [Г/м]. µ0 = 2π ⋅ F ⋅ d = 4π ⋅10− 7 = 1,256 ⋅10− 6 I1 ⋅ I 2 ⋅ l Основные магнитные характеристики. Определение магнитных свойств ферромагнетика сводится к определению зависимости В=f(Н), называемой кривой намагничивания, и (или) определению характерных точек на этой кривой. Предположим для простоты, что измерения проводятся в вакууме. В этом случае магнитная индукция в отсутствие исследуемого образца, согласно (1.5) и (1.7), равна µ0Н, так как относительная проницаемость вакуума равна 1. В присутствии образца индукция изменяется на величину собственной индукции намагнитившегося вещества, равную µ0J, где J – намагниченность, являющаяся векторной суммой магнитных моментов атомов, находящихся в единице объема вещества.

5

Необходимо заметить, что измерению поддается лишь суммарная индукция B=µ0⋅H+µ0⋅J. (1.8) Тогда относительная магнитная проницаемость, согласно (1.5) и (1.8), (1.9) µ =1 + J =1 + χ , H где χ - магнитная восприимчивость вещества (безразмерная величина). Восприимчивость диа- и парамагнетиков составляет величину порядка 10-5, а у ферромагнетиков она много больше единицы. Поэтому для ферромагнетиков с достаточной точностью µ = χ. Типичная кривая намагничивания ферромагнетика B=f (H) и J=f(H) представлена на рис. 1.1. На практике для получения размагниченного состояния J=B=0 необходимо либо перемагничивать образец переменным полем с убывающей от HS до 0 амплитудой, либо нагреть образец выше температуры Кюри и затем медленно охлаждать в отсутствии магнитного поля. Кривая намагничивания образца из размагниченного состояния называется основной кривой намагничивания. Кривая B=f(H) может быть легко перестроена в зависимость µ = f(H). На этих кривых отмечают следующие характерные точки: начальная проницаемость — µн, опреРис. 1.1 деляемая тангенсом угла наклона касательной в начальной части кривой B=f(H); максимальное значение тангенса угла наклона прямых, соединяющих точки кривой намагничивания с началом координат; очевидно, что такой прямой также является касательная к кривой В=(Н), проведенная но другую сторону от нее; максимальная проницаемость µmах. HS намагниченность образца достигает насыщения (saturation) JS и при дальнейшем увеличении H>HS возрастание индукции В происходит только за счет линейной зависимости от Н в соответствии с уравнением (1.8): B=µ0 H+µ0 JS. При измерении в очень больших полях наблюдается незначительное возрастание JS при увеличении Н. При уменьшении напряженности намагничивающего поля от HS, соответствующей насыщению, кривая размагничивания не совпадает с основной кривой намагничивания, а проходит выше ее (рис. 1.2).

6

При H=0 индукция и намагниченность образца уменьшаются не до нуля, а до некоторого значения Br (Jr), называемого остаточной индукцией (намагниченностью) или реманенцем (remanence). Это явление носит название магнитного гистерезиса. Для полного размагничивания образец необходимо поместить в поле, вектор напряженности которого противоположен первоначальному. Напряженность магнитного поля, которую надо приложить для уменьшения индукции или намагниченности до нуля, называют коэрцитивной силой (coercive force) и обозначают НС. При увеличении отрицательного поля (-Н) от HC до HS образец после полного размагничивания снова намагничивается, но уже в противоположном направлении, индукция снова стремится к насыщению. При уменьшении напряженности поля от (-Н) до нуля н последующем увеличении до (+Н) получается кривая аналогичная рассмотренной. Вместе они образуют петлю гистерезиса, которая называется предельной петлей гистерезиса, если она получена при условии насыщения образца. Петли гистерезиса, получаемые при Н< HS, называются петлями гистерезиса на частном цикле и располагаются внутри предельной петли (рис. 1.2). Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, пропорциональна работе Pг, затрачиваемой нa перемагничивание 1 м3 вещества за один цикл перемагничивания. Эта работа называется величиной потерь на гистерезис Pг = ∫ HdB, [Дж/м3]. При перемагничивании материала с частотой f потери на гистерезис под считываются по формуле f P = ∫ HdB, [Вт/кг], d Рис. 1.2. где d - плотность материала, г /см3. При перемагничивании потери на гистерезис полностью переходят в теплоту, поэтому в электромашиностроении стремятся к уменьшению потерь на гистерезис. Практически значение Рг определяется величиной коэрцитивной силы материала. Ферромагнетики с низкой коэрцитивной силой (HC < 160 А/м) называются магнитно-мягкими. Материалы с большой коэрцитивной силой (HC < 800 кA/м) называются магнитно-твердыми (магнитожесткими). Баллистический метод определения магнитных свойств. Значения магнитных характеристик материалов существенно зависят от используемых для их определения методов и приборов. Поэтому основные методы испытаний в настоящее время стандартизированы. Для магнитно-

7

мягких материалов ГОСТ 15058-85 устанавливает баллистический метод определения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса. Сущность метода. Принципиальная схема баллистического метода, показанная на рис. 1.3, состоит из намагничивающей и измерительной цепей. Намагничивающая цепь включает источник постоянного тока, реостаты R1 и R2 для регулирования величины этого тока, амперметры А1и А2, переключатель П1 для коммутирования тока, ключ К для шунтирования реостата R2 и переключатель П2, позволяющий подключать либо обмотку Wнам намагничивающего устройства при измерениях, либо первичную обмотку катушки взаимной индуктивности М при градуировке. Измерительная цепь содержит измерительный прибор - баллистический гальванометр (БГ), вторичную обмотку катушки взаимной индуктивности, реостат R3 для регулирования чувствительности измерительной цепи и переключатель ПЗ, соединяющий либо обмотку для измерения магнитной индукции, либо катушку Wнам для измерения напряженности магнитного поля.

Рис. 1.3. Баллистический (импульсно-индукционный) метод основан на измерении баллистическим гальванометром количества электричества, индуктируемого в измерительной обмотке при быстром изменении сцепляющегося с ней магнитного потока. Баллистический гальванометр - магнитоэлектрический прибор с зеркальной системой отсчета, в которой момент инерции его подвижной части (рамки) искусственно увеличен для повышения периода свободных колебаний То. Если продолжительность τ всего импульса тока, проходящего через гальванометр, значительно меньше периода свободных колебаний гальванометра То, то рамка начинает двигаться только после окончания импульса тока. В этом случае гальванометр работает в так называемом идеальном баллистическом режиме, и первое наибольшее отклонение α его подвижной части, называемое баллистическим, будет точно пропорционально количеству электричества, прошедшему через рамку: α=SB⋅Q, где SB - баллистическая чувствительность гальванометра. Величина, обратная баллистической чувствительности, называется баллистической постоянной CB′ = 1 . S B

8

Баллистическая постоянная - это то количество электричества, которое вызывает первое отклонение «зайчика» на одно деление измерительной шкалы (1.10) С'В⋅α=0. Импульс тока в измерительной цепи возникает вследствие изменения магнитного потока, сцепляющегося с измерительной обмоткой. Изменение магнитного потока достигается включением, выключением или чаще коммутированием тока в намагничивающем устройстве. Простейшим видом намагничивающего устройства является намагничивающая обмотка, равномерно нанесенная поверх измерительной обмотки на кольцевой образец (тороид) из исследуемого материала. При коммутировании тока магнитный поток изменяет направление (знак) и изменение магнитного потока согласно (1.4) ∆Ф = 2Ф = 2B⋅S. Количество электричества, которое пройдет в баллистической цепи согласно (1.3), 2B ⋅ S ⋅W ∆Ф ⋅W B = B, (1.11) Q= r r где Wв - число витков измерительной обмотки. Это количество электричества вызовет отклонение рамки баллистического гальванометра согласно (1.10). Приравнивая (1.10) и (1.11), получим C′ ⋅α ⋅ r B= B . (1.12) 2S ⋅ WB

В этом выражении неизвестными являются баллистическая постоянная и сопротивление измерительной цепи. Определение баллистической постоянной производится при градуировке гальванометра с помощью образцовой катушки взаимной индуктивности с коэффициентом взаимной индуктивности L, обычно равным 0,01Г. При включении или выключении тока в первичной обмотке катушки взаимной индуктивности изменение магнитного потока в ее вторичной обмотке, согласно (1.6), составит ∆Ф=L⋅∆I=L⋅I. Это изменение вызовет в соответствии с (1.3) прохождение через рамку гальванометра количества электричества Q = L⋅I , r Под действием этого электричества гальванометр даст отклонение Q = L⋅I . α= C B′ CB′ ⋅ r

9

Произведение С'В⋅r называется условной баллистической постоянной гальванометра (в веберах на деление) CB = C B′ ⋅ r = L I ⋅108 , [Вб/дел] (1.13)

α

Баллистическая установка БУ-3. Для испытания магнитных материалов в постоянных полях используются типовые баллистические установки (БУ-3, У-541, У-5035). Установка БУ-3 состоит из стола управления, регулировочного устройства, блока контакторов, нескольких типов намагничивающих устройств, катушки взаимной индуктивности и баллистического гальванометра. В состав установки входит размагничивающее устройство РУ-3. Баллистический гальванометр тина М 17/11 с осветительной арматурой и системой отсчета и катушка взаимной индуктивности типа Р536 размещены на капитальной стене вдали от электропроводки для уменьшения влияния наводок от внешних магнитных полей и сотрясения здания. В качестве источника питания используется выпрямитель типа ВУ 110/24. Регулировочное устройство состоит из двух блоков реостатов, позволяющих регулировать (при напряжении питания 110 В) величину тока от 0,01 до 12 А (левый блок реостатов соответствует реостату R1 на рис. 1.3) и от 0,005 до 6А (правый блок соответствует реостату R2). Регулировочное устройство снабжено как ручным, так и механическим приводом от электродвигателя. На столе управления размещены амперметры А1 и А2 типа М104 для измерения тока от 12 и до 6 А соответственно: переключатель П1, имеющий положения «1» , «2» и «выкл.»; переключатель П2, имеющий положения «намагн. устройство», «КВ» и «выкл.»; ключ К с положениями «Н» и «Нс»; реостат R3 - магазин сопротивлений типа Р33; переключатель П3 с положениями «Кв», «Кн» и «выкл.»; тумблер «измерение Н - выкл.» для включения тягового электромагнита отбрасывающего устройства пермеаметра сильных полей и кнопка К3 для торможения подвижной части баллистического гальванометра.

10

III. Методика проведения работы А. Подготовка образцов к испытанию. Испытания магнитномягких материалов могут производиться в замкнутой или разомкнутой магнитной цепи. Образцы для измерений в замкнутой цепи должны иметь кольцевую форму и изготовляются сборкой из штампованных или точеных колец или спиральной навивкой. Для испытания материалов, обладающих кристаллографической текстурой, не допускается применять образцы, набранные из штампованных или точеных колец. Размеры и масса образцов оговариваются соответствующими стандартами. Наружный диаметр кольцевого образца не должен превышать внутренний более, чем в 1,3 раза, в противном случае погрешности определения магнитных характеристик превысят допустимые значения. Образцы, изготовленные механической обработкой, перед испытанием должны быть отожжены в соответствии с требованиями стандарта. После термической обработки образцы не должны подвергаться механическим воздействиям (ударам, сжатию, изгибам, тряске и т.д.) и должны быть помещены в каркасы, изготовленные по размерам образцов. Определение размеров образцов производится перед испытанием или термической обработкой. Средний диаметр кольцевого образца вычисляют как среднее арифметическое значение наружного и внутреннего диаметров, измеренных с погрешностью не более ±0,5%. Площадь поперечного сечения кольцевых образцов S определяют по формуле 2m S= , [м2] (1.14) γπ(d + d ) н вн где m - масса образца, определяемая с погрешностью не более ± 0,2 %, кг; γ - плотность материала, кг/м3; dн, dвн - соответственно наружный и внутренний диаметр образца, м. Нанесение обмоток на кольцевые образцы производится по возможности равномерно по длине окружности образца, а концы их перевиваются. Число витков измерительной обмотки Wв рассчитывают из следующих соотношений: а) при определении основной кривой намагничивания Св ⋅ α Wв ≥ ; (1.15) 2 Bmin ⋅ S

б) при определении петли гистерезиса Св ⋅ α Wв ≥ , ∆Bmin ⋅ S где СВ – постоянная гальванометра (1.13), Вб/дел;

(1.16)

11

α - минимальное отклонение гальванометра, при котором относительная погрешность отсчета не превышает ±0,5% (при определении начальной магнитной проницаемости допускается погрешность ±5%); Вmin - минимальное значение измеряемой индукции на основной кривой намагничивания, Т; ∆Bmin=Bmax–B1 - минимальная разница значений индукции на петле гистерезиса, которую требуется измерить. При определении начальной магнитной проницаемости и начальной части основной кривой намагничивания первое значение индукции Вmin ≈ 20⋅10-4Т. При погрешности 5% и точности отсчета 0,5 деления минимальный отсчет равен 10 делениям. Диапазон шкалы отсчета баллистического гальванометра ±250 делений. Тогда наибольшее значение индукции, которое возможно измерить на обмотке Wв1, составит (250⋅20⋅10-4)/10 = 0,5 Т. Индукция насыщения магнитно-мягких материалов составляет 0,6...2,3 Т, и для продолжения испытаний необходима другая обмотка Wв2, с числом витков в 10...20 раз меньше, чем Wв1. При переходе к области высоких индукций путем увеличения сопротивления измерительной цепи снижают чувствительность баллистического гальванометра и тем самым повышают его постоянную СВ. Намагничивающая обмотка располагается поверх измерительной. Не допускается замыкание между обмотками и обмоток с образцом. Число витков намагничивающей обмотки (Wнам) в области малых значении напряженности магнитного поля вычисляют по формуле πH min (d н + d вн ) Wнам1 ≤ , (1.17) 2 I min где Hmin - минимальное значение напряженности поля, которое требуется создать в образце, А/м; Imin - минимальная сила тока, достигаемая регулирующим устройством и соответствующая рабочей части шкалы применяемого амперметра, А. Для получения малых значений напряженности поля часто используют прямой провод, проходящий через центр образца перпендикулярно его плоскости. В областях больших значений напряженности поля Wнам2 ≥

πH max (d н + d вн ) 2 I max

,

(1.18)

где Hmax максимальное значение напряженности поля, А/м; Imах - максимальная сила тока, не вызывающая нагрева образца вследствие нагрева обмотки, А.

12

Б. Размагничивание образцов производят перед определением основной кривой намагничивания и петли гистерезиса (кроме предельной петли гистерезиса и ее параметров) и осуществляют путем циклического перемагничивания образцов в магнитном поле частотой 50 Гц с убывающей практически до нуля амплитудой, создаваемой током в намагничивающей обмотке образца или намагничивающего устройства, в которое помещен образец. Максимальная амплитуда размагничивающего поля должна превышать коэрцитивную силу материала не менее, чем в 50 раз. После размагничивания образцы выдерживаются до начала испытаний от 10 минут до 24 часов. Размагничивающее устройство типа РУ-3 состоит из секционированного трансформатора, автотрансформатора с плавной регулировкой переключателей. Для размагничивания образца необходимо: - подключить через амперметр намагничивающую обмотку образца к зажимам «ток размагничивания», подать питание на размагничивающее устройство, предварительно установив переключатель напряжения цепи размагничивания в положение «0»; - установив переключатель напряжений в положение «0,05» автотрансформатором «ток размагничивания» увеличить ток, наблюдая за показаниями амперметра, включенного в цепь размагничивания; - повернуть рукоятку автотрансформатора до упора в сторону «меньшe» и перевести рукоятку переключателя ближайшее большее напряжение; - операцию продолжать до получения заданной величины тока размагничивания; - после достижения заданной величины тока плавно повернуть рукоятку автотрансформатора в сторону «меньше» до упора, перевести рукоятку переключателя на ближайшее меньшее напряжение; повернуть рукоятку автотрансформатора в сторону «больше» до упора, а затем плавно до упора в сторону «меньше»; повторить эти операции до достижения исходного положения рукояток. В. Градуировка баллистического гальванометра. Перед определением основной кривой намагничивания и петли гистерезиса производят градуировку баллистического гальванометра в единицах магнитного потока. При градуировке наблюдают отклонение указателя гальванометра при включении или выключении переключателя П1, при этом переключатель П2 должен быть в положении «КВ». При одном значении тока показатели отклонения гальванометра наблюдают не менее четырех раз (по два в противоположные от нуля стороны) и вычисляют среднее арифметическое полученных значений с учетом поправки ∆α на прямолинейность шкалы гальванометра α = αср - ∆α, (1.19)

13

где

∆α =

α3

ср ; 2

(1.20)

3l l - расстояние между зеркалом гальванометра и шкалой, выраженное в делениях шкалы. Значение постоянной гальванометра определяют по формуле (1.13). При градуировке гальванометра на магазине сопротивлений набирается нужная величина сопротивления. Величина тока подбирается по амперметру «12A» в пределах 0,01…1 А при переключателе П1, установленном в положение «1» или «2», и ключе К в положении «H» таким образом, чтобы при выключении тока при положении переключателя П3 «KВ» отклонение указателя гальванометра находилось в пределах 0,4…0,8 длины шкалы. Гальванометр градуируют при трех значениях тока, которым соответствуют отклонения указателя на 0,4, 0,6 и 0,8 (с точностью ±10%) длины шкалы. За результат измерения принимается среднее арифметическое трех полученных значений. После градуировки гальванометра регулировочное устройство должно быть возвращено в исходное положение, соответствующее минимальному току, а все переключатели выключены. Измерительную обмотку при градуировке заменяют равным ей сопротивлением. Г. Определение основной кривой намагничивания выполняют, начиная с наименьшего требуемого значения напряженности поля, постепенно переходя к большим значениям. Возврат от больших значений к меньшим недопустим. Значения намагничивающего тока вычисляют по формуле Hπd ср I= , (1.21) W нам

где Н - напряженность магнитного поля, при которой должна быть измерена индукция, A/м; dср= (dн+dвн)/2, м; Wнам - число витков намагничивающей обмотки. Намагничивающую обмотку подключают к источнику питания, устанавливая переключатель П2 в положение «намагн. устройство». Измерительную обмотку переключателя П3 отключают от гальванометра. Ключ К устанавливают в положение «Н». Переключателем П1 включают ток и с помощью левого блока реостатов R1 (12А) устанавливают по амперметру А1 необходимое значение тока. Изменяют несколько раз переключателем П1 направление тока (проводят магнитную тренировку образца). В соответствии с рис. 1.2 при коммутировании тока напряженность поля меняется от +Н1 до -Н1, а индукция от +В1 до -В1. Легко видеть, что основная кривая намагничивания есть

14

геометрическое место точек вершин семейства петель гистерезиса на частных циклах. Переключателем П3 включают измерительную обмотку и, изменяя направление тока, определяют в этот момент отклонение указателя гальванометра. Измерение повторяют не менее четырех раз при отклонении указателя в противоположные от нуля стороны. За результат измерения принимают среднее арифметическое с учетом поправки по формулам (1.19) и (1.20). Магнитную индукцию вычисляют по формуле C ⋅α [Т]. (1.22) B= в , 2S ⋅W в

Указанные операции повторяют при всех заданных значениях напряженности магнитного поля. Погрешность измерения составляет ±3%. Д. Определение начальной магнитной проницаемости. По описанной выше методике определяют не менее пяти значений индукции на основной кривой намагничивания для значений напряженности поля, соответствующих начальному участку кривой µ=f(H). Для железоникелевых сплавов с 70…80% Ni минимальная напряженность поля Н должна быть не более 0,04 А/м, для остальных сплавов – не более 0,4 А/м. Верхний предел по напряженности поля составляет приблизительно 0,2 А/м для высоконикелевых сплавов и 2 А/м для остальных. Для полученных значений индукции вычисляют относительную магнитную проницаемость (1.23) µ= B . µ0 ⋅ H Строят график зависимости µ от Н и определяют начальную проницаемость как ординату пересечения начального линейного участка зависимости µ=f(H) с осью координат. Погрешность измерения не более ±6%. Е. Определение максимальной магнитной проницаемости. Определяют не менее 10 значений индукции на основной кривой намагничивания через приблизительно равные промежуточные интервалы напряженности поля Н в диапазоне значений 0,5HC
15

IV. Порядок выполнения работы

1. Проверить положение переключателей на столе управления и установить переключатели амперметров в положение «30 А». 2. Включить выпрямитель в сеть и установить напряжение 110 В. 3. Произвести градуировку баллистического гальванометра в соответствии с п. III «В» и рассчитать постоянную гальванометра по формулам (1.19), (1.20) и (1.13). 4. Подготовить образец согласно п. III «А»: рассчитать поперечное сечение по формуле (1.14), количество витков обмоток - по формулам (1.15)...(1.18) и нанести обмотки. 5. Размагнитить образец в соответствии с п. III «Б». Выдержать после размагничивания 10 минут. 6. Рассчитать по формуле (1.21) значения токов для заданных напряженностей магнитного поля. 7. Подключить обмотки образца и произвести требуемые измерения. 8. Рассчитать значение индукции по формуле (1.22) и проницаемости по формуле (1.23) и построить графики µ=f(H). 9. Результаты измерений и расчетов свести в таблицу 1.1. Таблица 1.1 Марка сплава: …………. S = …… I, А

m = ……

, м2 Св= ……, Вб/дел dн = ……

Wв1= …… Н, А/м

Образец № ..….

Wв2= …… αср., дел

∆α, дел

α, дел

Wнам1= …… В, Т

µ

, м dвн = ……

, кг ,м

Wнам2= …… Используемые обмотки

10. Определить и построить основную кривую намагничивания одного из магнитно-мягких сплавов (50Н, 79НМ, Э360 и т. д.). 11. Определить начальную магнитную проницаемость сплава 79НМ или 50Н. 12. Определить максимальную магнитную проницаемость одного из сплавов.

16

V. Содержание отчета

1. 2. 3. 4.

Принципиальная схема установки. Сущность метода и расчетные формулы. Результаты измерений и расчетов и графические построения. Анализ полученных результатов.

Литература: [1], с. 42, 43, 66...70, 90, 91, 122...126; [2], с. 305, 311...314; [3], с. 382…389.

Работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ МИЛЛИВЕБЕРМЕТРА I. Цель работы 1. Освоение методики измерения магнитных свойств с помощью милливеберметра. 2. Определение магнитных свойств углеродистой стали после различных термообработок. II. Содержание работы Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с разделом II работы №1. Структурно-чувствительные магнитные свойства - коэрцитивная сила Нс и максимальная проницаемость µmах углеродистой стали существенно изменяются при термической обработке. На этом основаны магнитные методы контроля термической обработки. Максимальная проницаемость может быть рассчитана, если определена основная кривая намагничивания) B=f(Н) (см. рис. 1.1), по значениям индукции В в соответствующих полях H и по этой кривой может быть построена зависимость µ=f(Н), поскольку (2.1) µ= B. H Измерение магнитной индукции производится на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 2.1.

17

Рис. 2.1. Установка имеет две электрических цепи: намагничивающую и измерительную. В намагничивающей цепи расположен электромагнит, между полюсами П1 и П2 которого зажимается испытуемый образец О. Катушки электромагнита К1 и К2 питаются постоянным током от выпрямителя В. Величина тока регулируется автотрансформатором, вмонтированным в корпус выпрямителя - грубо и реостатом Р - точно. Для измерения силы тока служит амперметр А. Предварительной градуировкой электромагнита установлены значения токов и соответствующие им значения напряженности магнитного поля в межполюсном пространстве. Они указаны в таблице 2.1. Электрическая цепь катушек электромагнита замыкается ключом К, который выполнен таким образом, что позволяет менять направление магнитного поля в межполюсном пространстве. При включении цепи магнитное поле изменяется от 0 до Н, а при переключении - от +Н до -Н. В момент изменения величины или направления поля поток Ф магнитных силовых линий в образце изменяется на некоторую величину ∆Ф. Этот изменяющийся поток пересекает обмотку катушки К3 измерительной цепи и индуцирует в ней ЭДС. Возникающий импульс тока вызывает отклонение подвижной системы милливеберметра МВ, соединенного с катушкой К3. Милливеберметр - это прибор, измеряющий изменение магнитного потока. Поскольку изменение магнитного потока в образце ∆Ф =B·S, (2.2) где В - индукция образца; S - площадь поперечного сечения, то нетрудно подсчитать индукцию образца ∆Ф C ⋅α B= = (2.3) S W ⋅S где С - постоянная милливеберметра, которая численно равна величине магнитного потока, вызывающего отклонение стрелки прибора на одно деление. Для милливеберметра, используемого в работе, С = 10-4 Вб/в; α - отклонение стрелки милливеберметра;

18

W - число витков измерительной катушки К3, W = 30; S - сечение образца, S = 5·10-5 м2. Если измерение производится при переключении поля на противоположное значение, то изменение индукции составляет 2В и, следовательно, C ⋅α B= (2.4) 2W ⋅ S Подставив в формулу (1.22) значения C, W, S, получим окончательное выражение для расчета индукции В = 3,33 ·10-2 ⋅α , [Т]. (2.5) III. Порядок выполнения работы 1. Получить у преподавателя пять образцов высокоуглеродистой стали после следующих термических обработок: № 1 - закалка; № 2 - закалка + отпуск 200°С; № 3 - закалка + отпуск 400°С; № 4 - закалка + отпуск 650°С; № 5 - отжиг. 2. Размагнитить образцы. Размагничивание производится методом уменьшения до нуля амплитуды переменного намагничивающего поля. Для этого образец вносят в соленоид и медленно выносят из него параллельно оси соленоида на расстояние >1м. 3. Определить значения индукции в интервале намагничивающих полей 200...15000 А/м следующим образом: а) размагниченный образец установить между полюсами П1 и П2 электромагнита, убедившись предварительно, что выпрямитель В установлен на минимальное напряжение (переключатель мощности в положение 1 , а рукоятка автотрансформатора повернута против часовой стрелки до упора); б) замкнуть ключом К цепь электромагнита и установить ток, соответствующий Н = 200 А/м; При установке тока нельзя превышать требуемое значение, так как изменение индукции является необратимым! в) разомкнуть цепь электромагнита и установить корректором стрелку милливеберметра на середине шкалы; г) включить ток, отметить показания милливеберметра, переключить ток на противоположное направление и вновь снять показания милливеберметра, разность показаний и есть величина α (делений); д) проделать измерения для возрастающих значений напряженности поля и записать данные в таблицу 2.1;

19

е) рассчитать по формуле (2.5) и занести в таблицу 2.1 значения магнитной индукции для каждого образца. 4. По формуле (2.1) рассчитать значения магнитной проницаемости для каждого значения намагничивающего поля. Результаты также занести в таблицу 2.1. 5. Построить графики зависимости магнитной проницаемости каждого образца от величины намагничивающего поля µ = f(Н). По этим графикам определить значение максимальной проницаемости (µmax) для каждого режима термической обработки и построить график изменения максимальной магнитной проницаемости в зависимости от температуры отпуска µmax = f(tотп). IV. Содержание отчета 1. Принципиальная схема установки. 2. Сущность метода и расчетные формулы. 3. Результаты измерений, расчетов и графики. 4. Заключение о влиянии структуры стали на ее магнитные свойства. Литература: [1], с. 92...93, 111...114.

Таблица 2.1 Н, А/м

Число делений по амперметру I, А при пределе шкалы 0,3

1,3

7,5

200

0,035 17,5

-

-

500

0,087 43,7

-

-

1000

0,175 87,5

-

-

1500

0,262

131

-

-

200

0,350

-

35

-

2500

0,437

-

43,7

-

3500

0,613

-

-

-

5000

0,875

-

87,5

-

7500

1,312

-

131

-

10000

1,750

-

-

35

15000

2,625

-

-

52,5

Сталь У10 после термической обработки закалка α, дел

В, Т

закалка + отпуск 200ºС µ·10-3 α, дел В, Т

закалка + отпуск 400ºС

µ·10-3 α, дел

В, Т

закалка + отпуск 650ºС

µ·10-3 α, дел

В, Т

µ·10-3 α, дел

отжиг В, Т

µ·10-3

Работа 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТОСТРИКЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ I. Цель работы 1. Овладение тензометрическим методом определения магнитострикции. 2. Изучение влияния химического состава, структуры и текстуры на величину технической магнитострикции ферромагнитных сталей и сплавов. II. Содержание работы При переходе материалов из парамагнитного в ферромагнитное состояние наблюдается явление магнитострикции, т. е. изменение формы и размеров тела. При этом изменение размеров может быть как положительным, так и отрицательным. Соответственно магнитострикция λ=∆l/l может быть положительной, отрицательной или нулевой. Кроме спонтанной магнитострикции, возникающей при охлаждении ферромагнетика через точку Кюри, наблюдается магнитострикция при наложении намагничивающего поля. Изменение размеров ферромагнетика в направлении приложенного поля называется продольной магнитострикцией. Величина продольной магнитострикции при магнитном насыщении обозначается λs и существенно зависит от направления намагничивания относительно кристаллографических направлений. Продольная магнитострикция для произвольного направления в монокристалле легко выражается через величины продольной магнитострикции в кристаллографических направлениях [100] и [111] - λ100 и λ111 соответственно

λs = λ100 + 3(λ111 – λ100)(α12·α22 + α22·α32 + α32·α12) (3.1) где α1, α2 и α3 - направляющие косинусы направления намагничивания относительно осей координат. Для поликристалла величина магнитострикции каждого зерна определяется уравнением (3.1). В случае нетекстурованного и недеформированного поликристалла средняя магнитострикция поликристалла определяется интегрированием уравнения (3.1) по всем возможным направлениям и составляет 2 3 λs = λ100 + λ111 (3.2) 5 5

22

При наличии кристаллографической текстуры продольная магнитострикция определяется по выражению (3.1) и может менять не только величину, но и знак. Магнитострикция в любом произвольном направлении относительно направления намагниченности насыщения (не продольная магнитострикция) определяется выражением λ = 3 λs (cos 2 ϕ − 1 ) (3.3) 2 3 где λs - продольная магнитострикция насыщения по уравнению (3.1) или (3.2); ϕ - угол между вектором намагниченности насыщения и направлением магнитострикционной деформации λ. Поскольку магнитострикционная деформация очень мала, экспериментальные методы должны обеспечивать высокую точность измерения малых изменений размеров. Наиболее часто встречающиеся методы: оптико-механический, интерферометрический, тензометрический. Оптико-механический метод. Испытуемый образец в виде проволоки или стержня помещается в намагничивающую катушку - соленоид. При включении магнитного поля, в зависимости от знака магнитострикции, образец удлиняется или укорачивается, что передается через механическую систему рычагов на зеркальце, которое поворачивается. По углу отклонения светового луча, падающего на зеркальце, можно измерить величину магнитострикции. Интерферометрический метод. Узкий пучок света, идущий от монохроматического источника, делится полупрозрачным зеркалом на два равных полупучка. Одна часть пучка, отразившись от неподвижных зеркал, направляется в окуляр. Другая часть, отразившись от подвижного зеркала, закрепленного на испытуемом образце, также попадает в окуляр. В окуляре наблюдаются интерференционные линии благодаря наличию некоторой разности хода когерентных лучей, отраженных от подвижного и неподвижного зеркал. При включении магнитного поля линейные размеры образца изменяются и зеркальце, закрепленное на образце, смещается. Соответственно изменяется оптическая разность хода двух пучков света. Интерференционные полосы при этом смещаются. Величину магнитострикции рассчитывают по формуле ∆l = nλ (3.4) 2l l где l и ∆l - длина и изменение длины испытуемого образца, соответственно; λ - длина волны монохроматического источника света; п -количество полос смещения.

23

Тензометрический метод. В этом методе используется зависимость электрического сопротивления металлов и сплавов от их упругой деформации. Тонкая проволока (или фольга) из сплава сопротивления (константана, нихрома и др.) укладывается в виде ряда петель на тонкую бумажную подложку и образует тензодатчик сопротивления. Тензодатчик 1 приклеивается к исследуемому образцу 2 и присоединяется к мостовой схеме (рис.3.1). На одну из диагоналей моста |подают постоянный ток от аккумуляторной батареи, а в другую включают нульгальванометр. Балансировку моста производят переменным сопротивлением R1, добиваясь нулевого значения тока через нуль-гальванометр. Образец помещают в соленоид 3. При включении магнитного Рис. 3.1. поля размеры образца и, следовательно, тензодатчика изменяются, что меняет его сопротивление. Вновь сбалансировав мост, определяют изменение сопротивления ∆R, а затем по формуле λ = ∆l = 1 ⋅ ∆R (3.5) l C R определяют величину магнитострикции. Коэффициент тензочувствительности С - отношение изменения электросопротивления к упругой относительной деформации - определяют предварительной градуировкой на каждой партии тензодатчиков. Этот метод пригоден для измерения магнитострикции на образцах малых размеров и поэтому дает возможность измерять не только продольную магнитострикцию, но и магнитострикцию под любым углом к приложенному магнитному полю. Установка для измерения магнитострикции тензометрическим методом монтируется из мостовой установки постоянного тока У303, включаемой по схеме одинарного моста, и баллистической установки БУ-3 с использованием пермеаметра средних полей. Первая установка (У303) предназначена для точного измерения сопротивления тензодатчика, вторая (БУ-3) - для создания и регулирования магнитного поля.

Порядок подготовки к работе установки У303 по схеме одинарного моста 1. Установить ручки управления установки в исходное положение: а) переключатель «двойной мост», тумблер «одинарный мост» - в положение «отключено»; кнопки «грубо», «точно» моста отжать; кнопку «выключено» переключателя чувствительности нажать; б) штепсели «регулировка тока» - в нижние гнезда; в) переключатель пределов измерений нуль-индикатора - на отметку «5 µА».

24

2. Подключить установку в сеть и тумблером «сеть» включить освещение. 3. Нажать на третью кнопку слева на переключателе чувствительности и установить указатель нуль-индикатора на нулевую отметку ручкой «корректор М95» (пп. 3...5 - выполняются преподавателем). 4. Нажать крайнюю кнопку справа и установить указатель микроамперметра на нулевую отметку ручкой «корректор усилителя». 5. Добиться точного совпадения указателя с нулевой отметкой, повторяя пп. 3 и 4, и нажать кнопку «выключено». 6. Непосредственно перед началом измерений повернуть несколько раз от упора до упора переключатель «измеряемое сопротивление» и все рычажные переключатели моста. 7. Перемкнуть пластинками зажимы RN моста. 8. Подключить измеряемое сопротивление к зажимам Хо. 9. Установить переключатель «измеряемое сопротивление» на отметку Хо. 10. Включить тумблер «одинарный мост» и реостатом «регулировка напряжения» установить по вольтметру напряжете около 2 В. 11. Руководствуясь таблицей «рекомендуемые режимы работы», установить режим работы. Значение измеряемого сопротивления тензодатчика Rx лежит в пределах 102…103 Ом. 12. Нажать и зафиксировать на месте поворотом кнопку «точно». Нажать на переключателе чувствительности третью кнопку слева. 13. Уравновесить мост с помощью декадных переключателей моста, постепенно повышая чувствительность указателя равновесия нажатием каждой следующей кнопки справа. 14. Вычислить величину измеряемого сопротивления по формуле R R x = 2 ⋅ R1 , Ом (3.6) R3 где R1 - отсчет по лимбам декад моста; R2 и R3 - отсчеты по штепсельным плечам моста. 15. По окончании работы на установке нажать кнопку «выключено» переключателя чувствительности. Порядок подготовки к работе установки БУ-3 с пермеаметром средних полей 1. Проверить правильность подключения пермеаметра средних полей к намагничивающей цепи. Установить пакетный переключатель в положение «намагничивающее устройство». 2. Открыть крышку амперметра «12 А» и установить переключатель амперметра в положение «15 А».

25

3. Проверить правильность положения переключателей на выпрямителе. Левый пакетный переключатель в положении «выкл.», средний в вертикальном, правый повернут до упора против часовой стрелки. 4. Включить выпрямитель в сеть с помощью рубильника. Установить левый пакетный переключатель в положение «вкл.», средний - в положение 100%, правый поворачивать по часовой стрелке до получения значения напряжения по вольтметру около 110 В. 5. Включить переключатель «1-2» в положение «1» или «2». Поворачивая переключатель амперметра в сторону меньших пределов шкалы, определить значение тока в цепи. 6. С помощью реостата «регулировка тока до 12 А» установить требуемое начальное значение тока. 7. Установить переключатель «1-2» в вертикальное положение. III. Порядок выполнения работы

1. Подготовить к работе установки У303 и БУ-3. 2. Ввести образец в середину длины соленоида пермеаметра средних полей. Уравновесить мост, максимально приблизив световой указатель к нулю. Переключая последний декадный переключатель моста на одно положение, определить цену деления нуль-индикатора и вычислить методом интерполяции значение сопротивления R1. Рассчитать по (3.6) значение Rх. 3. Включить намагничивающее поле переключателем «1-2». Вновь уравновесить мост и определить интерполяцией значение сопротивления R1 и рассчитать Rх и ∆Rx. 4. C помощью реостата «регулировка тока до 12 А» установить следующее значение тока. Рекомендуемые значения тока указаны в таблице 3.1. Измерить сопротивление в магнитном поле и при его отсутствии. 5. По окончании измерения образца перед отключением образца нажать кнопку «выключено» блока чувствительности. Значение тока в намагничивающей цепи вернуть к исходному значению. 6. При измерениях последующих образцов в связи с разогревом соленоида следует выдержать образец в соленоиде перед началом измерений в течение 5 мин. 7. Результаты измерений и расчетов свести в таблицу 3.1. При расчетах магнитострикции по формуле (3.5) принять коэффициент тензочувствительности 2,0. 8. Построить графики зависимости продольной магнитострикции от напряженности магнитного поля λ=f(H). 9. Определить зависимость величины магнитострикции от состава и режима термообработки. 10. Определить анизотропию магнитострикции в текстурованных материалах.

1,5

3,0

7,5

1,5

-

-

-

-

-

0,16

0,02

-

100

-

-

-

-

-

-

-

-

0,4

0,05

-

-

100

-

-

-

-

-

-

-

0,8

0,1

-

-

-

100

-

-

-

-

-

-

1,6

0,2

-

-

-

-

100

-

-

-

-

-

4

0,5

-

-

-

-

-

100

-

-

-

-

8

1

-

-

-

-

-

-

100

-

-

-

16

2

-

-

-

-

-

-

-

100

-

-

40

5

-

-

-

-

-

-

-

-

100

-

80

10

-

-

-

-

-

-

-

-

-

100

R, Ом

λ·106

0,75

-

∆R, Ом

0,3

-

R, Ом

0,15

-

Э330

λ·106

0,075

-

∆R, Ом

0,03

100

49КФ

R, Ом

0,015

0,01

Ni

λ·106

Намагничивающий ток I, А

0,08

Материал образца

Число делений по шкале амперметра при положении переключателя амперметра (шунта)

∆R, Ом

Напряженность магнитного поля Н·10-3, А/м

Таблица 3.1

IV. Содержание отчета 1. Физический смысл магнитострикции. 2. Сущность тензометрического метода. 3. Принципиальная схема установки. 4. Результаты измерений и расчетов и их анализ. Литература: [1], с. 71...72. Работа 4 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В МЕТАЛЛОВЕДЕНИИ I. Цель работы 1. Освоение методики измерения электросопротивления по схеме двойного моста. 2. Определение удельного электросопротивления сплавов твердых растворов в деформированном и отожженном состояниях. II. Содержание работы В соответствии с законом Ома электрическое сопротивление проводника U (4.1) I где U - разность потенциалов на концах проводника; I - сила тока. Электрическое сопротивление R проводника зависит от его размеров и формы (4.2) R = ρ l , Ом S R=

где I - длина проводника, м; S - его сечение, м2; ρ - удельное электрическое сопротивлением, Ом·м. Удельное электросопротивление ρ является характеристикой электрических свойств материала, не зависящей от его формы и размеров. Величина обратная удельному электросопротивлению, γ=1 (4.3)

ρ

называется удельной электропроводностью.

28

Для точного измерения электросопротивления используются различные мостовые схемы, а также компенсационные (потенциометрические) методы. Измерения обычно проводят на постоянном токе. Для измерения относительно больших сопротивлений применяют схему одинарного моста (см. работу 3), а для сопротивлений меньше 10...100 Ом - схему двойного моста. Принципиальная схема двойного моста показана на рис. 4.1. Измеряемое сопротивление Rx соединяется последовательно с эталонным сопротивлением RN, амперметром, регулировочным сопротивлением Rp и источником питания. Параллельно этой ветви включается Рис. 4.1. ветвь, состоящая из сопротивлений R1 и R2. Нуль-индикатор G подключается к сопротивлениям Rx и через дополнительные сопротивления R1′ и R3 , образующие третью ветвь, параллельную первым двум. Сопротивления R1′, R3 и R1 и R2 и, выбирают много большими сопротивлений проводов и контактов и сопротивлений Rx и RN. Последние подбирают близкими по величине. На практике сопротивления R2 и R3 делают в виде одинаковых штепсельных магазинов, имеющих значения 10, 100, 1000 и 10000 Ом, а сопротивления R1 и R1′ в виде механически связанных декадных рычажных сопротивлений. Измерение сопротивления сводится к уравновешиванию моста (т.е. к отсутствию тока через нуль-индикатор) путем изменения сопротивлений R1 и R1′ при неизменных значениях сопротивлений R2 и R3. Тогда на основании законов Кирхгофа R (4.5) Rx = RN 1 R2 Для увеличения точности измерений все токоподводы и контакты должны иметь минимальное сопротивление, а ток в цепи образца выбирается возможно большим, но так, чтобы образец не нагревался. Точность определения сопротивлений с помощью мостовых схем колеблется в зависимости от величины сопротивления от 1 до 0,05%. Порядок подготовки к работе установки У303 по схеме двойного моста 1. Подготовить к работе установку У303 в соответствии с указаниями, приведенными в разделе II работы 3. 2. Соединить пластинами зажимы U1 и U2 внутреннего эталонного сопротивления с зажимами RN, моста.

29

3. Подключить измеряемое сопротивление токовыми подводами к зажимам Jx и J1 потенциальными подводами к зажимам Ux (используется специальный держатель образцов, позволяющий подключать определенную длину ленточных или проволочных проводников). 4. Установить ручку «измеряемое сопротивление» на отметку Xд. 5. Руководствуясь таблицей «рекомендуемые режимы работы», установить режим работы (значения измеряемого сопротивления лежат в пределах 0,1...1 Ом): а) включить нужное эталонное сопротивление RN; б) включить требуемые значения штепсельных плеч моста (R2 и R3 ); в) включить требуемый предел измерения амперметра штепсельным переключателем «амперметр»; г) вставить нужный штепсель «регулировка тока» в верхнее гнездо; д) установить переключатель «двойной мост» на отметку «ток прямой»; е) вращая ручку «плавная регулировка тока», расположенную под откидной крышкой правой тумбы, установить требуемое значение тока. 6. Нажать и зафиксировать поворотом кнопку «точно», а на переключателе чувствительности нажать третью кнопку слева. 7. Уравновесить мост, вращая декадные переключатели моста. Нажать следующую кнопку на переключателе чувствительности по стрелке «больше» и вновь уравновесить мост. Повторять операцию до достижения максимальной чувствительности 8. Отсчитать показания по лимбам декад моста и нажать кнопку «выключено». 9. Вычислить величину измеряемого сопротивления по формуле (4.5), где R1- отсчет по лимбам декад моста, R2 - отсчет по штепсельному плечу моста, RN- значение эталонного сопротивления. 10. При точных измерениях снять второй отсчет при обратном направлении тока. Сопротивление считать по среднему арифметическому из двух отсчетов.

30

III. Порядок выполнения работы

1. Подготовить к работе установку У303. 2. Измерить микрометром толщину b и штангенциркулем ширину h и ленточного образца. 3. Установить на держателе образцов длину 50 см и закрепить образец в натянутом состоянии. 4. Произвести измерение и расчет сопротивления образца. 5. По окончании измерения перед сменой образца нажать кнопку «выключено» блока чувствительности. 6. Рассчитать значения удельного электросопротивления по формуле (4.2). Результаты измерений и расчетов свести в таблицу 4.1. 7. Построить график зависимости удельного электросопротивления от температуры термообработки. 8. Установить зависимость удельного электросопротивления от состава сплавов и режима термообработки. 9. Определить влияние пластической деформации на величину удельного электросопротивления. Таблица 4.1 Сплав Обработка

В, мм

h, мм

l, мм

R, Ом

ρ, Ом·м

отжиг закалка закалка+отпуск 200ºС закалка+отпуск 400ºС закалка+отпуск 600ºС

IV. Содержание отчета 1. Понятие об удельном электросопротивлении. 2. Принципиальная схема и сущность метода двойного моста. 3. Результаты измерений и расчетов и их анализ. Литература: [1], с. 133...136, 183...192; [2], с. 292, 296...298.

31

Работа 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ НА ЕЕ ПЛОТНОСТЬ I. Цель работы 1. Ознакомление с методами определения плотности и практическое овладение методом гидростатического взвешивания. 2. Определение плотности стали в различных структурных состояниях. II. Содержание работы Плотность - одна из фундаментальных физических характеристик вещества, численно равная массе единицы объема тела

d = m , [г/cм3] V

(5.1)

где m - масса образца, г ; V - его объем, cм3. Плотность вещества растет с увеличением давления и убывает с повышением температуры. Различные фазы и структурные составляющие имеют, как правило, различную плотность, поэтому фазовые и структурные превращения протекают с изменением объема. Так, например, для стали плотность возрастает в следующем ряду: мартенсит, ферритоцементитные смеси (троостит, сорбит, перлит), аустенит. Закалка стали сопровождается увеличением объема (около 1%), а отпуск закаленной стали приводит к различным объемным эффектам: отпуск мартенсита, а также распад мартенсита на феррито-цементитную смесь вызывают сжатие, а распад остаточного аустенита - расширение стали. Величина плотности зависит также от степени совершенства кристаллического строения, поэтому наиболее чувствительные методы измерения плотности применяют для оценки количества и выяснения причин возникновения и исчезновения дефектов кристаллического строения. Основными методами измерения плотности твердых тел являются флотационный, гидростатического взвешивания и рентгеновский. Флотационный метод состоит в том, что, варьируя плотность жидкости, в которую помещен испытуемый образец, последний приводят в состояние безразличного равновесия. В этом случае плотность образца равна плотности жидкости. Флотационный метод реализуется путем создания специальных установок - градиентных колонн, в которых создают стабильный по высоте колонны градиент плотности жидкости. Колонну калибруют, и мерой плотности исследуемого образца является высота, на

32

которой он плавает в жидкости. Хотя достижимая точность этого метода 5·10-3 г/cм3, большого распространения он не получил. Метод гидростатического взвешивания основан на законе Архимеда и состоит в последовательном определении массы образца на воздухе Р1 и во вспомогательной жидкости Р2. Зная плотность вспомогательной жидкости d´t при температуре взвешивания t, можно вычислить объем жидкости, вытесненной образцом, т. е. объем образца P −P (5.2) V= 1 ' 2 dt и его плотность при температуре t P1 ⋅ d t' (5.3) dt = P1 − P2 а с учетом поправки на плотность воздуха P1 ⋅ d t' − P2 ⋅σ (5.4) dt = P1 − P2 Этот метод позволяет определять плотность образцов любой геометрической формы и использует относительно несложную аппаратуру: весы соответствующего класса и термостат с жидкостью, в которой проводятся измерения. Однако повышение точности определения плотности до ∆d/d=1⋅107 требует взвешивания с относительной чувствительностью 1⋅107 и термостатирования в пределах ±5·10-3°С. Пикнометрический метод состоит в определении объема образца по массе жидкости, вытесненной образцом из специального сосуда определенного объема - пикнометра. В этом методе производят три взвешивания и определяют массу образца в воздухе Р1, массу пикнометра с вспомогательной жидкостью Р2 и массу пикнометра с образцом, наполненного жидкостью до того же уровня, Р3. Плотность образца с учетом поправки на плотность воздуха определяют по формуле P1 ⋅ dt' − ( P3 − P2 ) ⋅σ (5.5) dt = P1 − ( P3 − P2 ) Разность (Р3 - Р2) представляет собой массу образца за вычетом массы вытесненной этим образцом жидкости, т. е. соответствует массе P2 в методе гидростатического взвешивания. Основные достоинства пикнометрического метода - высокая точность измерений (до 5·10-2 кг/м3) при возможности раздельного проведения операции термостатирования и последующего взвешивания пикнометра.

33

Рентгеновский метод состоит в расчете плотности кристаллического вещества по его грамм-атомной массе А, объему, элементарной ячейки υ и числу приходящихся на нее атомов п: n⋅ A (5.6) d= N ⋅υ

где N = 6,0022·1023 моль-1 - число Авогадро. Объем ячейки вычисляют по ее измеренным рентгенографическим параметрам, а число атомов определяется типом кристаллической решетки. Найденная рентгеновским методом плотность элементарной ячейки (микроплотность), как правило, выше фактической плотности образца (макроплотности), определенной другими методами, из-за наличия в реальном материале значительного количества пор и других макродефектов и дефектов кристаллического строения. Если же макроплотность выше микроплотности, то это свидетельствует о наличии неучтенных внедренных атомов. Точность рентгеновского метода определения плотности зависит от точности измерения параметров кристаллической решетки, которая может быть доведена до 1⋅10-5. III. Порядок выполнения работы 1. В работе методом гидростатического взвешивания с точностью до третьего десятичного знака определяется плотность образцов одной и той же стали после разных термических обработок. 2. Подготовить аналитические весы к работе, для чего протереть чашку весов, проверить правильность установки весов, включить осветитель в сеть и оценить чувствительность весов. При смене нагрузки весы должны быть арретированы 3. Тщательно протереть образцы спиртом или чистым бензином для удаления загрязнений (при необходимости зачистить образцы шкуркой) и определить массу каждого образца Р1 как среднее из трех взвешиваний. 4. С помощью аппарата конденсаторной сварки приварить к каждому образцу тонкую проволочную петлю для подвески. 5. Установить на платформу весов поверх чашки подставку так, чтобы чашка и ее рамка не касались подставки. Установить на подставку стаканчик с дистиллированной водой и подвесить образец к коромыслу весов так, чтобы образец не касался стенок стаканчика и был полностью погружен в жидкость. Удалить проволокой или кисточкой пузырьки воздуха с поверхности образца. 6. Произвести трехкратное взвешивание каждого образца в воде и определить среднюю массу образца с проволокой в воде Р′2.

34

7. Оторвать проволочный подвес от образца и определить массу проволоки Р. Определить массу образца в воде Р2= Р′2 –Р. 8. Определить температуру дистиллированной воды в стаканчике и вычислить плотность воды d´t = d´20 (1 + α·∆t) 3 где d′20 = 0,997047 г/cм - плотность дистиллированной воды при t = 20°С; α = -0,207⋅10-3 град-1 - температурный коэффициент плотности воды; ∆t = t - 20, °С. 9. Подставить данные измерений в расчетную формулу (5.4), приняв плотность воздуха d = 1,2 г/см3, и определить значения плотности стали при температуре испытания. 10. Результаты измерений и расчетов представить в таблицу 5.1. Таблица 5.1 Термообработка и структура

Температура испытания t ºС

Масса об- Масса образца Масса разца на с проволокой в прововоздухе воде локи Р1 , г Р'2, г Р, г

Масса образца в воде Р2 , г

Плотность d, кг/м3

IV. Содержание отчета 1. Понятие о плотности. 2. Методы определения плотности и принципы, на которых они основаны. 3. Результаты измерений и расчетов и их анализ. Литература: [1], с. 244...246; [2], с. 287...289. Работа 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ С ПОМОЩЬЮ ДИЛАТОМЕТРА I. Цель работы 1. Ознакомление с принципами работы дифференциального дилатометра и овладение методикой расчета дилатограмм. 2. Определение температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) и температуры Кюри инварных сплавов. II. Содержание работы Расширение тел при нагревании является следствием увеличения среднего межатомного расстояния при повышении температуры. Степень

35

расширения характеризуют объемным αV или линейным αl коэффициентами термического расширения (КТР): α V = 1 ⋅ dV ; α l = 1 ⋅ dl (6.1) T dT lT dT где VТ и lТ - объем и длина образца при температуре Т соответственно. Между αV и αl для изотропных металлов существует простая связь dlT3 3lT2 dl 1 1 dV αV = ⋅ = 3⋅ = 3 ⋅ = 3 1 ⋅ dl = 3α l VT dT lT dT lT dT lT dT Порядок величин αV и αl ~10-6 град-1. Выражения (6.1) представляют собой значения истинных коэффициентов термического расширения при данной температуре. На практике чаще пользуются значениями среднего ТКЛР для интервала температур l −l (6.2) α T −T = 2 1 ⋅ 1 1 2 T2 − T1 l1 где αT1-T2 - средний ТКЛР для интервала температур от Т1 до Т2 (Т1<Т2); l1 - длина образца при температуре Т1; l2- длина образца при температуре Т2. Поведение КТР сплавов переходных металлов подчиняется следующим закономерностям: 1. для механических смесей КТР сплава аддитивно складывается из КТР компонентов и изменяется по прямой линии; 2. для твердых растворов КТР ниже рассчитанного по правилу аддитивности и изменяется криволинейно. При этом любого сплава лежит между значениями КТР компонентов. В сплавах переходных и особенно ферромагнитных, металлов наблюдаются значительные отклонения от этих правил. Наибольший практический интерес представляет группа «инварных» сплавов - (Fe -Ni, FePt, Fe-Co-Cr), у которых в определенном интервале температур значение КТР остается постоянным, не зависящим от температуры, при чем КТР может принимать даже отрицательное значение, т.е. сплав будет сжиматься при нагреве (например, для сплава Fe - 55 ат.% Pt α20-70 = -6⋅10-6 град-1). Все инварные сплавы ферромагнитны, имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, и составы их на диаграмме состояний расположены вблизи границы γ / γ+α областей. Аномалия теплового расширения инварных сплавов имеет ферромагнитную природу. Установление ферромагнитного порядка (спонтанной намагниченности IS) сопровождается изменением объема (объемная (спонтанная) магнитострикция или магнитострикция пара процесса λп). Любое изменение IS будет, следовательно, приводить к изменению объема. Это, в частности, происходит с ферро-

36

магнитными сплавами в близи точки Кюри. У инварных сплавов λп положительна, значит при повышении температуры вследствие уменьшения намагниченности насыщения их объем будет уменьшаться. «Ферромагнитное» уменьшение объема может компенсировать или перекрывать нормальное тепловое расширение. Естественно, что выше точки Кюри расширение инварных сплавов подчиняется обычным закономерностям. Среди сплавов системы Fe -Ni наименьшим значением КТР обладает сплав с 36% Ni. (инвар). Его КТР α20-100 колеблется в пределах (0,5…1,5)⋅10-6 град-1 в зависимости от чистоты материала и структурного состояния. Температура Кюри инвара - ~200°С. При повышении содержания никеля до 58% КТР и Θс железоникелевых сплавов растут практически линейно до значений 12⋅10-6 до 520°С, соответственно. Широкое применение нашли двойные сплавы - 36Н, 42Н, 48Н, 52Н, 58Н, а также легированные медью или хромом сплавы 47НД (5% Сu), 47Н3Х (3% Сr), 48НХ (1% Сr). Добавление кобальта к Fe -Ni сплавам позволяет повысить точку Кюри при том же значении КТР. Наибольшее применение имеет сплав 29НК (ковар), содержащий 29% Ni и 18% Со, КТР которого в интервале температур 20…400°С, равен ≈ 5⋅10-6 град-1. Из выражения (6.1) следует, что определение среднего ТКЛР сводится к измерению удлинения образца при нагреве до определенной температуры. Точность метода определяется в первую очередь точностью измерения длины (удлинения). Все существующие дилатометрические методы определения ТКЛР можно разделить на две группы: прямые, в которых непосредственно измеряется длина образца, и дифференциальные, в которых измеряется разность удлинений образца и эталона. Точность определения ТКЛР у этих двух методов одинакова. Дифференциальный метод дает более наглядную дилатометрическую кривую (дилатограмму), что позволяет визуально определять критические точки фазовых превращений, сопровождающихся изменением ТКЛР. Рассмотрим устройство дифференциального дилатометра системы Шевенара. Дилатометр состоит из следующих основных частей: нагревательного устройства, головки и устройства записи. Схема головки дифференциального дилатометра Шевенара приведена на рис. 6.1.а). Образец 1 и эталон 2 вкладывается в кварцевые трубки и помещаются в электрическую печь.

37

Рис. 6.1. Печь оборудована приспособлением для контроля температуры и регулировки скорости нагрева. Удлинения образца и эталона передаются посредством кварцевых и металлических стержней 6 подвижным опорам 7 и 8 оптического рычага 4. Металлические стержни находятся вне печи, и их длина в процессе измерения не меняется. Оптический рычаг выполнен в виде прямоугольного треугольника. Третья опора 3 рычага является неподвижной. На оптическом рычаге закреплено зеркало 5. Запись осуществляется на фотопластинке (на схеме не показана). На зеркало 5 падает пучок света, который дает на фотопластинке точку. При перемещении зеркала перемещается и световая точка, нанося на фотопластинке дилатометрическую кривую. Эталоном является жаростойкий сплав на основе никеля (82% Ni, 7% Сr, 5% W, 3% Fе, 3% Мn), получивший название «пирос». Пирос не имеет фазовых превращений, его расширение полностью обратимо и не меняется при многократных нагревах и охлаждениях. ТКЛР пироса хорошо изучен и лежит в пределах (12,7...16,9)10-6 град-1, ТКЛР кварца в интервале 0…1000°С постоянен и равен 0,54⋅10-6 град-1. Схема записи показана на рис. 6.1.б). Ось Х - ось температуры, ось Y - ось удлинения. Удлинение эталона дает прямую ОА, а удлинение образца - прямую OВ, суммарная кривая - ОС. Если ТКЛР образца постоянен, суммарная кривая будет прямолинейной. Чем больше ТКЛР образца, тем ближе суммарная кривая к горизонтали. Отклонение световой точки по вертикальному направлению пластинки (т.е. вдоль оси Y) характеризует разность удлинений эталона и образца. Например, для точки С (рис.6.1б) ордината СС'= АС'-АС, где АС′=ОА⋅sinϕ (величина угла ϕ определяется конструкцией дилатометра) и АС=ОВ - удлинение образца. Отсюда получаем, что СС' = ∆lэт⋅sinϕ -∆lобр. Величины ОА и АС, определенные по фотопластинке, равняются истинным удлинением эталона и образца, умноженным на оптическое увеличение системы. Необходимо также вводить поправку на расширение кварца.

38

Резкое изменение ТКЛР при фазовых превращениях приводит к изгибу дилатометрической кривой. Вследствие увеличения ТКЛР инварных сплавов вблизи точки Кюри дилатометрическая кривая такого сплава изгибается к оси Х (рис. 6.2).

Методика расчета дилатограмм Смещение световой точки вдоль горизонтальной оси Х пропорционально температуре эталона. Горизонтальную ось можно проградуировать, поскольку известны коэффициенты расширения пироса и кварца. Действительно, из рис. 6.1б следует, что температура С', соответствующая точке С на дилатометрической кривой, определяется произведением ОА·соsφ, где ОA удлинение пироса. При этом нужно учесть оптическое увеличение системы и тепловое расширение кварца. Для дифференциального Рис. 6.2. дилатометра Шевенара координата X температуры t рассчитывается по формуле Xt = A1·L0(∆0tпир – ∆0tкв) (6.3) где А1 - оптическое увеличение дилатометра по оси X; L0 = 50 мм - длина образца и эталона; ∆0tпир - относительное удлинение пироса от 0°С до температуры t; ∆0tкв - то же, для кварца. Для применяемых в работе дилатометров разность ∆0tпир – ∆0tкв приводится в табл. 6.1. Таблица 6.1 t

№ дилатометра

А1

148 151

148,6 148,8

t

(∆0 пир – ∆0 кв)

при t ºC

200

300

400

500

0,0026

0,00402

0,00556

0,0072

Средний коэффициент теплового расширения в интервале температур 20...t, °С рассчитывается по формуле ⎡ ⎛ Y ⎞⎤ (6.4) α 20−t = ⎢ K1 + ⎜⎜10 − t ⎟⎟⎥ ⋅10−6 , град-1 K 2 ⎠⎦⎥ ⎝ ⎣⎢ где Yt - ордината кривой расширения для данной температуры t (см. рис. 6.2); К1 и К2 - постоянные величины для данного дилатометра (см. табл. 6.2).

39

Порядок определения точки Кюри показан на рис. 6.2. Вблизи перегиба проводятся касательные к дилатометрической кривой. Проекция точки пересечения касательных на ось Х дает температуру Кюри и может быть определена с точностью до 10°С. Таблица 6.2 200°С 300°С 400°С 500°С № дилатоК1 К2 К1 К2 К1 К2 К1 К2 метра 148 3,6 2,72 4,04 4,235 4,55 5,748 5,04 7,26 151 3,6 2,719 4,04 4,288 4,55 5,738 5,04 7,248 III. Порядок выполнения работы 1. Получить у преподавателя фотопластинки с записанными дилатограммами. 2. На миллиметровой бумаге нанести оси Х и Y, как это показано на рис. 6.2. 3. Рассчитать по формуле (6.3) координаты Xt для температур 200, 300, 400 и 500°С. 4. Сделать разметку оси Х по полученным значениям Xt. 5. Наложить фотопластинку на миллиметровку эмульсией вниз так, чтобы верхний край пластинки был параллелен линиям миллиметровки, а начало кривой отстояло по оси Х на 20°С (~2 мм) от начала координат. 6. Определить по миллиметровке ординаты Y [мм] для температур 200, 300, 400 и 500°С. 7. Рассчитать по формуле (6.4) значения среднего ТКЛР для указанных интервалов температур.

8. Определить (как показано на рис. 6.2) температуру Кюри данного сплава. 9. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 6.3. Таблица 6.3 Сплав …….. Параметры Xt , мм Yt , мм α20-t ,10-6 град-1

Температура Кюри 200

Θс=……ºС

Температура, ºС 300 400

500

40

IV. Содержание отчета 1. Понятие о тепловом расширении металлов и сплавов и ТКЛР. 2. Схема головки и описание конструкции дифференциального дилатометра Шевенара. 3. Результаты измерений и расчетов и их анализ. Литература: [1], с. 258...263, 279...282, 283...287; [2], с. 289, 292; [3], с. 400…406.

41

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1980 2. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник в 3х томах Т.1. Методы испытаний и исследований/Под ред. М.Л. Бернштейна и А.Г. Рахштадта. -М.: Металлургия, 1983. 3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение. - СПб.: Химиздат, 2002. - 696 с.

42

СОДЕРЖАНИЕ

Работа 1. Построение основной кривой намагничивания и определение проницаемости магнитно-мягких материалов на баллистической установке ……………..…….….3 Работа 2. Исследование влияния термической обработки на магнитные свойства сталей с помощью милливеберметра ...….15 Работа 3. Определение магнитострикции ферромагнитных материалов тензометрическим методом ……………………..…20 Работа 4. Применение метода измерения удельного электрического сопротивления в металловедении …………….26 Работа 5. Исследование влияния термической обработки стали на ее плотность ………………………………..29 Работа 6. Определение коэффициентов теплового расширения и температуры Кюри с помощью дилатометра …………………..33 Библиографический список ……………………………………………….…..38

43

БАРСУКОВ Валерий Николаевич СИВЕНКОВ Алексей Валентинович

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Методические указания к выполнению лабораторных работ Редактор М.Ю. Комарова Сводный темплан 2006 г. Лицензия ЛР № 202308 от 14.02.97г. Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953 Л.005641.11.03 от 21.11.2003 г. _____________________________________________________________________________________

Подписано в печать ___.06.2006. Формат 60×841/16. Б. кн. -журн. П-л. _____. Бл. _____. РТП РИО СЗТУ. Тираж ______. Заказ _____ ________________________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д.5