Плотность и термическое расширение. Методы измерения плотности материалов. Удельный объем и плотность различных сплавов, страница 2

Определение плотности материала сводится к измерению массы и объема. Масса тела может быть с достаточной степенью точности измерена на аналитических весах. Объема можно определить производить двумя методами: пиктометрическим и гидростатическим. Пиктометрический метод основан на вытеснении твердым телом жидкости при его погружении в мензуру, однако точность этого метода невысока из-за наличия мениска. При плохой смачиваемости жидкостью твердого тела точность изменения объема дополнительно снижается. Считается, что точность пиктометрического метода не превышает 1%. В качестве жидкостей используют бензол, спирт и другие, обладающие хорошей смачивающей способностью.

Более точным является гидростатический метод, использующий закон Архимеда. Испытываемый образец в этом случае взвешивается на воздухе, а затем погруженным в какую-либо жидкость. Объем образца можно вычислить по формуле

                                                                                    (6.5)

где Р – вес образца на воздухе; Q – вес образца в жидкости; δ – удельный вес жидкости.

Плотность материала можно определить

                                                                                   (6.6)

где λ – плотность воздуха.

Для практических расчетов выталкивающей силой воздуха можно пренебречь, тогда выражение (6.6) упростится

                                                                                            (6.7)

При взвешивании образца его подвешивают на волоске или тонкой нити диаметром 10…20 мкм, масса которой учитывается при вычислении плотности.

6.3. Удельный объем и плотность различных сплавов

При образовании твердых растворов в бинарных и других сплавах плотность подчиняется правилу линейной адитивности

                                                                           (6.8)

где  d_i – плотность отдельного компонента; α_i – содержание отдельного компонента.

Однако для целого ряда твердых растворов наблюдается отклонение от правила адитивности в меньшую сторону.

Более точное значение при расчете плотности твердого раствора дает модифицированная формула (6.4)

                                                                 (6.9)

где А_ср – средняя атомная масса твердого раствора; т – число атомов в элементарной кристаллической ячейке; V – объем элементарной кристаллической ячейки.

Среднюю атомарную массу определяют

                                                                       (6.10)

где с_i - процентное содержание по массе; А_i  - атомная масса каждого компонента каждого компонента твердого раствора.

При образовании химического соединения, интерметаллидов и упорядоченных твердых растворов наблюдается уменьшение удельного объема или повышение плотности.

С позиций электронной теории изменение атомного объема при полиморфных превращениях в металлах и образование промежуточных фаз связано с изменением среднего числа электронов, участвующих в образовании связи. Чем больше электронов участвует в образовании связей, тем меньше атомный объем или выше плотность.

С увеличением собственного магнитного момента уменьшается число электронов связи и увеличивается объем.

Значение плотности сталей при небольшой концентрации легирующих элементов и углерода можно рассчитать по формуле

                                                                       (6.11)

где d₀ – плотность железа; с_i – содержание легирующего компонента и углерода в процентах по массе; Δd_i – приращение плотности на 1%  примеси.

Численные значения приращения плотности приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

Приращение плотности отожженной  стали 

на !% (по массе) примеси

Плотность стали зависит от ее микроструктуры, получаемой в результате термообработки и деформации. Расположение микроструктур сталей в порядке их возрастания плотности выглядит следующим образом: мартенсит, перлит, сорбит, бейнит, аустенит. С повышением содержания углерода плотность стали уменьшается.