材料物理性能实验指导书

《无机材料物理性能》实验指导书2006年元月《无机材料物理性能》实验指导书2前言本实验教学内容是《材料物理性能》课程的一部分。成份、结构、性能是材料的基本属性，物理性能更是诸多材料得以应用的应用基础。本实验设置旨在通过实践教学使学生对无机材料物理性能(力学、热学、电学、磁学)的测试方法有一定了解。1课程基本要求掌握各个实验项目的原理、计算公式和影响测试结果的因素；按照四人一组的分组完成各个项目的实验；回答《材料物理性能指导书》中各实验项目的思考题，完成实验预习；根据《材料物理性能实验报告》要求独立处理实验数据，编写实验报告。2对前置课的要求在完成材料物理性能相应理论教学后，既开展相应单元的实验教学，从而起到补充和巩固理论教学的作用。其它说明：材料物理性能的实验非常多，当限于现有的实验条件，仅能每一类物理性能开出一个实验。《无机材料物理性能》实验指导书3实验一水泥胶砂抗压、扛折强度测试材料抵抗机械作用的能力是材料最重要的性质之一。不论是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料或复合材料，当它们用作机械部件、结构材料等用途时，一般都要测定其力学性能。材料力学性能试验的内容较多，包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击、疲劳、摩擦、硬度等。材料机械强度指材料受外力作用时，其单位面积上所能承受的最大负荷。一般用抗弯(抗折)强度、抗拉(抗张)强度、抗压强度、抗冲击强度等指标来表示。1目的意义1.1意义水泥的强度在使用中具有重要的意义。水泥强度是指水泥试体在单位面积上所承受的外力，它是水泥的主要性能指标。水泥是混凝土的重要胶结材料，水泥强度是水泥胶结能力的体现，是混凝土强度的主要来源。检验水泥各龄期强度，可以确定其强度等级，根据水泥强度等级又可以设计水泥混凝土的标号。水泥强度检验主要是抗折与抗压强度检验。1.2目的①学习水泥胶砂强度的测试方法，以确定水泥强度等级；②分析影响水泥胶砂强度测试结果的各种因素。2实验原理2.1抗折材料的抗折强度一般采用简支梁法进行测定。对于均质弹性体，将其试样放在两支点上，然后在两支点间的试样上施加集中载荷时，试样将变形或断裂(如图1-1所示)。由材料力学简支梁的受力分析可得抗折强度的计算公式：22f2bh3PL6bh2L2PWMR(1-1)式中R—抗折强度，MPa；M—在破坏荷重P处产生的最大弯矩；W—截面矩量，断面为矩形时W=bh2/6；P—作用于试体的破坏荷重，kN；L—抗折夹具两支承圆柱的中心距离，m；b—试样宽度，m；h—试样高度，m。在水泥胶砂试体抗折强度测试中，两支承圆柱的中心距离L=0.1m；试样宽度b=0.04m；试样高度h=0.04m。将这些值代人式(1-1)得图1-1小梁试体抗折受力分析《无机材料物理性能》实验指导书434P.22bh3PLR2f应当注意的是，水泥胶砂试体是由晶体、胶体、未完全水化的颗粒、游离水和气孔等组成的不均质结构体。而且在硬化过程的不同龄期，试体内晶体、胶体、未完全水化的颗粒等所占的比率不同，导致试体的强度也不相同。因此，水泥胶砂试体不是均质弹性体，而是“弹—粘—塑性体”，用式(1-1)计算出的强度不完全代表水泥胶砂试体的真实抗折强度值，但这种近似值已能满足工程测试的要求。材料的抗折强度一般采用电动抗折试验机进行测定，其测力原理如图1-2，实物照片如图1-3。在这种情况下，力矩M与各量的关系为：M1=PLlM2=SL2M3=SAM4=QB平衡状态时M1=M2即P=S·L2/L1M3=M4即S=B·Q/A所以BAQLLP12由于仪器设定为：力臂L1=1长度单位，A=1长度单位，L2=5长度单位，Q=10kg，所以50BB11105BAQLLP12Rf=2.34P=2.34×50B=117B(1-2)2.2抗压图1-2电动抗折实验机测力原理示意图图1-3电动抗折实验机实物《无机材料物理性能》实验指导书5检验抗压强度一般都采用轴心受压的形式。按定义，其计算公式为：FPRC(1-3)式中R—抗压强度，MPa；F—受压面积，m2；P—作用于试体的破坏荷重，kN。水泥胶砂抗压强度测试一般用各种万能材料实验机，图1-4是WE-300万能材料实验机(压机)实物照片。3实验器材表3-1-1每实验小组需要实验器材列表品名规格数量说明胶砂搅拌机1(全班)用于搅拌混匀水泥胶砂振实台ISO679-1989(E)1(全班)振实台应安装在高度约为400mm的混凝土基座上。需防外部振动影响振动效果时，可在整个混凝土基座上放一层厚约5mm天然橡胶弹性衬垫。试模(抗折)40×40×160mm1由三个水平的模槽组成，如图1-5(a)所示。试模(抗压)100×100×100mm3如图1-5(b)所示播料器和金属刮平尺各1用于控制料层厚度和刮平胶砂电动抗折实验机1(全班)如图1-3，抗折夹具的加荷与支撑圆柱直径均为(10±0.1)mm，两个支撑圆柱中心距为(100±0.2)mm。万能材料实验机1(全班)如图1-4所示，在较大的4／5量程范围内使用时记录的荷载应有±1％精度，并具有按(2400±200)N·s-1速率的加荷能力。4实验步骤4.1试体成型①将试模擦净，四周模板与底板接触面上应涂黄油，紧密装配，防止漏浆。内壁均匀刷一薄层机油。②胶砂的质量配合比应为1份水泥、3份标准砂和0.5份水(水灰比为0.50)。一锅胶砂成3条抗折测试试体，3个抗压测试试体。图1-4万能材料实验机《无机材料物理性能》实验指导书6③先使搅拌机处于待工作状态，然后再按以下的程序进行操作。把量好的水(精确±1ml)加入锅里，再加入称好的水泥(精确±1g)，把锅放在固定架上，上升至固定位置。然后立即开动搅拌机，低速搅拌30s后，在第二个30s开始的同时均匀地将砂子加入(当各级砂是分装时，从最粗粒级开始，依次将所需的每级砂量加完)。把机器转至高速再拌30s，停拌90s，在第1个15s内用胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮人锅中间，在高速下继续搅拌60s。各个搅拌阶段，时间误差应在±1s以内。④胶砂制备后应立即进行成型。预先将空试模和模套固定在振实台上，用一个适当勺子直接从搅拌锅里将胶砂分二层装入试模，装第一层时，每个槽里约放300g胶砂，用大播料器垂直架在模套顶部沿每个模槽来回一次将料层播平，再振实60次。再装入第二层胶砂，用小播料器播平，再振实60次。移走模套，从振实台上取下试模，用一金属直尺以近似90。的角度架在试模模顶的一端，然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用一直尺以近乎水平的情况下将试体表面抹平。最后在试模上标记。⑤若使用代用设备振动台时，操作如下：在搅拌胶砂的同时将试模和下料漏斗卡紧在振动台的中心。将搅拌好的全部胶砂均匀地装人下料漏斗中，开动振动台，胶砂通过漏斗流入试模，振动(120±5)s停车，振动完毕，取下试模，用刮平尺刮去其高出试模的胶砂并抹平(方法同上)，最后在试模上标记。4.2试体养护4.2.1脱模前的养护将试模放人养护箱养护[温度(20±3)℃，相对湿度大于90％]。一直养护到规定的脱模时间时取出脱模。脱模前，用防水墨汁或颜料笔对试体进行编号，对二个龄期以上的试体，在编号时应将同一试模中的3条试体分在二个以上龄期内。4.2.2脱模对于24h龄期的，应在破型试验前20min内脱模；对于24h以上龄期的，应在成型后20～24h之间脱模。脱模应小心，以免损伤试体。对于已确定作为24h龄期试验的已脱模试体，应用湿布覆盖至做试验时为止。4.2.3水中养护将编号的试体立即水平放在(20±1)℃水中养护，放置时刮平面应朝上。试体之间间隔和试体上表面的水深不得小于5mm。注意：试体放置的箅子不宜用木料制成，每个养护池只养护同类型的水泥试体，不允许在养护期间换水，水量不够时可加水至恒定水位。4.3强度试验①各龄期的试体必须按表3-1-2规定时间内进行强度试验。表3-1-2各龄期强度测定时间的规定龄期时间龄期时间《无机材料物理性能》实验指导书724h24h±15mirI7d7d±2h481548h±30mitI~28d28d±8h72h72h±45mirl②试体从水中取出后，在强度试验前应用湿布覆盖。③抗折强度测定：擦去试体表面的附着水分和砂粒，清除夹具上圆柱表面杂物，将试体一个侧面放在抗折仪的支撑圆柱上，通过加荷圆柱以(50±30)N-1的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断。记录抗折强度值(记录至0.1MPa)。④抗压强度测定：抗折试验后的两个断块应立即进行抗压试验。抗压试验须用抗压夹具进行。半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差应在±0.5mm内，整个加荷过程中应以(2400±200)N·s-1的速率均匀地加荷直至破坏，记录抗压强度值(记录至0.1MPa)。4.4水泥强度的计算4.4.1抗折强度抗折强度按式(1-2)计算，精确至0.1MPa。以一组3个棱柱体抗折结果的平均值作为试验结果。当3个强度值中有超出平均值±10％时，应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。4.4.2抗压强度抗压强度按式(1-3)计算，精确至0.1MPa。以一组3个试体上得到的3个抗压强度测定值的算术平均值为试验结果。如3个测定值中有1个超出3个平均值的±10％，就应剔除这个结果，而以剩下2个的平均数为结果。如果2个测定值中再有超过它们平均值±10％的，则此组结果作废，应重做这组试验。5思考题(1)影响水泥胶砂强度的因素有哪些?如何提高水泥的胶砂强度?(2)影响混凝土强度的主要因素有哪些?可采取哪些措施提高混凝土的强度?(3)在水泥胶砂强度试验过程中，下列情况对测试结果有何影响?①试体尺寸偏大；②试体尺寸偏小；③加荷速率偏大；④加荷速率偏小；⑤试模涂油不均；⑥在试体成型过程中，搅拌叶片和锅没有用湿布擦湿；⑦标准砂粒度偏大。实验二无机材料热导系数测定在现代建筑物中，为了保护生态环境，节约能源，需要大量具有隔热、保温等功能的无机非金属材料，这些材料具有一系列的热物理特性。为了合理地使用与选择有关的功能材料，需要用其热物理特性进行热工计算。所以，了解和测定《无机材料物理性能》实验指导书8材料的热物理特性是十分重要的。材料的热物理参数有热导率、导温系数、比热容等。测定方法有稳定热流法和非稳定热流法两大类。每大类中又有多种测定方法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的。例如呈周期性的变化等。本实验采用稳态法进行测量。1目的意义1.1意义在现代工程中，测定材料热导率的稳定态热流方法以其原理简单、计算方便而被广泛应用。平板导热仪即为其中的方法之一。主要用于测定块体干燥材料的热导率。1.2目的①加深对稳定导热过程基本理论的理解；②掌握用导热仪测定材料热导率的方法；③确定材料热导率与温度的关系；④测定橡胶盘，空气，铝合金棒的导热系数。2实验原理不同材料的热导率相差很大，一般说，金属的热导率在2.3～417.6W·m-1·K-1范围内，建筑材料的热导率在0.16～2.2W·m-1·K-1之间，液体的热导率波动于0.093～0.7W·m-1·K-1，而气体的热导率则最小，在0.0058～0.58W·m-1·K-1范围内。即使是同一种材料，其热导率还随温度、压强、湿度、物质结构和密度等因素而变化。各种材料的热导率数据均可从有关资料或手册中查到，但由于具体条件如温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这些数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。热导率低于0.22W·m-1·K-1的一些固体材料称为绝热材料，由于它们具有多孔性结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热过程，其机理复杂。为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过程处理。1882年法国数学、物理学家傅立叶给出了一个热导体的基本公式——傅立叶导热方程式。该方程式指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此相距为h、温度分别为θ1，θ2的平行面(设θ1θ2)，若平面面积均为S，在t时间内通过面积S的热量Q满足下述表达式：hStQ21