ПРИКЛАД ВИЗНАЧЕННЯ ДЕФОРМАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТА СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ КЕРАМІЧНИХ МАС

Згідно з поставленим завданням була підготовлена маса з попередньо визначеною оптимальною формувальною вологістю W_ф = 21 %, яка до початку досліджень вилежувалась в ексикаторі протягом 1 доби. З маси були виготовлені пластинки товщиною а = 0,55 см. Вимірювання проводили відповідно до опису роботи на пластометрі Д. М. Толстого (див. ЛР 3).

Для визначення деформаційних характеристик керамічної маси було використано індикатор з ціною поділки 10 мкм та межею вимірювань 1 мм. Вимірювання деформації здійснювалося з точністю до 1 мкм при послідовних навантаженнях, які для даної маси підбиралися експериментальним шляхом і не перевищували 2600 г. При кожному і-му навантаженні фіксувалися маса важка та початкове положення індикатора С_0і. Потім були зняті показання індикатора С_і для кожного відліку часу τ, а по закінченні досліду, розраховано і всі значення сумарних деформацій (за умови, що і = 1…5). Експериментальні дані для взятої маси, зняті на приладі Д. М. Толстого для різних навантажень, наведені у табл. Д2.1–Д2.5.

Таблиця Д2.1 – Результати вимірювань деформації зсуву (навантаження m₁ = 1000г, вихідне положення індикатора С₀₁ = 50 поділок)

Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С1	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
	–	94,5	44,5
	–
	–	95,5	45,5
	–	95,9	45,9
	–	96,4	46,4
	–	96,8	46,8
	–		48,0
Продовження таблиці Д2.1
Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С1	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
	–	98,2	48,2
	–	99,1	49,1
	–	99,6	49,6
	–	99,7	49,7
	–	99,8	49,8
	–	99,9	49,9
	–	100,0	50,0
–
–		91,5	41,5
–		91,5	41,5
–		91,5	41,5
–		91,3	41,3
–		91,2	41,2
–		91,1	41,1
–		91,1	41,1
–		91,05	41,05	410,5	410,5
–		91,0	41,0

Таблиця Д2.2 – Результати вимірювань деформації зсуву (навантаження m₂ = 1400г, вихідне положення індикатора С₀₂ = 93 поділки)

Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С2	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
	–
	–
	–	110,1	17,1
	–	110,2	17,2
	–	110,2	17,2
	–	110,2	17,2
	–	110,3	17,3
	–	110,4	17,4
	–	111,6	18,6
	–	112,0	19,0
	–	112,2	19,2
	–	112,8	19,8
	–	113,0	20,0
	–	113,1	20,1
Продовження таблиці Д2.2
Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С2	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
–		97,0	4,0
–		96,5	3,5
–		96,5	3,5
–		96,5	3,5
–		96,4	3,4
–		96,2	3,2
–		96,1	3,1
–		96,1	3,1
–		96,1	3,1		441,5
–		96,1	3,1

Таблиця Д2.3 – Результати вимірювань деформації зсуву (навантаження m₃ = 1800г, вихідне положення індикатора С₀₃ = 96 поділок)

Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С3	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
	–
	–
	–	111,8	15,8
	–	112,5	16,5
	–
	–	113,1	17,1
	–	113,6	17,6
	–	113,6	17,6
	–	115,5	19,5
	–	115,7	19,7
	–	116,5	20,5
	–	116,6	20,6
	–	117,5	21,5
	–	117,6	21,6
–		91,6	– 4,4	– 44
–		90,6	– 6,6	– 66
–		90,1	– 6,1	– 61
–		90,1	– 6,1	– 61
–		89,9	– 6,1	– 61
–		89,7	– 6,3	– 63
–		89,7	– 6,3	– 63
Продовження таблиці Д2.3
Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С3	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
–		89,6	– 6,4	– 64
–		89,5	– 6,5	– 65	376,5
–		89,4	– 6,4	– 64

Таблиця Д2.4 – Результати вимірювань деформації зсуву (навантаження m₄ = 2200 г, вихідне положення індикатора
С₀₄ = 101,5 поділок)

Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С4	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
	–		31,5
	–	133,5
	–		32,5
	–	134,5
	–		33,5
	–	135,6	34,1
	–	136,2	34,7
	–		35,5
	–		36,5
	–	138,9	37,4
	–		38,5
	–	140,5	39,0
	–	141,5	40,0
	–	141,7	40,2
–			10,5
–		111,4	9,9
–			9,5
–		110,8	9,3
–		110,5	9,0
–		110,4	8,9
–		110,2	8,7
–		110,1	8,6
–		110,0	8,5		461,5
–		109,8	8,3

Таблиця Д2.5 – Результати вимірювань деформації зсуву (навантаження m₅ = 2600 г, вихідне положення індикатора
С₀₅ = 109,3 поділок)

Тривалість досліду, с	Кількість поділок на індикаторі, С5	, у поділках	,мкм	Деформація , мкм
при навантаженні	при розвантаженні
	–		35,7
	–		36,7
	–	147,2	37,9
	–		38,7
	–	148,1	38,8
	–		39,7
	–		40,7
	–	150,9	41,6
	–	152,3	43,0
	–	153,2	43,9
	–	154,5	45,2
	–	155,1	45,8
	–	155,4	46,1
	–	156,7	47,4
–		126,8	17,5
–		126,5	17,2
–		126,4	17,1
–		126,1	16,8
–		126,1	16,8
–			16,7
–		125,9	16,6
–		125,8	16,5
–		125,3	16,0		621,5
–		125,1	15,8

За наведеними експериментальними даними було побудовано криві
ε = f(τ), тобто «деформація – час досліду» при всіх навантаженнях, що у зручному масштабі показані на рис. Д2.1–Д2.5. З наведених на графіках кривих для кожного навантаження отримуємо значення пружної деформації (ε₀), що визначається за першим секундним відліком і відповідає першому відрізку на осі деформацій; еластичної деформації (e₂), яка визначається за різницею між відрізком (e_m), що відсікається на осі ординат дотичною лінією 1, проведеною на прямолінійній ділянці кривої у точці переходу кривої в цю ділянку, і ε₀, тобто e₂ = e_m - e₀. Пластична деформація De₁ являє собою різницю між значенням максимальної деформації та сумою пружної та еластичної деформацій (див. рис. 3.3 і 3.4) і на графіках відповідає відрізку між прямими лініями 1 і 2.

Рисунок Д2.1 − Крива ε = f(t) при m₁ = 1000 г

Рисунок Д2.2 − Крива ε = f(t) при m₂ = 1400 г

Рисунок Д2.3 − Крива ε = f(t) при m₃ = 1800 г

Рисунок Д2.4 − Крива ε = f(t) при m₄ = 2200 г

Рисунок Д2.5 − Крива ε = f(t) при m₅ = 2600 г

Градієнт швидкості розвитку пластичної деформації для кожного навантаження визначаємо за формулою (3.16):

,

де ∆ε₁ – пластична деформація, см; Dτ – загальний час навантаження, с;
а – товщина зразка керамічної маси, см.

Для m₁ = 1000 г с^–1;

m₂ = 1400 г с^–1;

m₃ = 1800 г с^–1;

m₄ = 2200 г с^–1;

m₅ = 2600 г с^–1.

Отримані з рис. Д2.1–Д2.5 та розраховані значення характеристик деформації наведено в табл. Д2.6.

Таблиця Д2.6 – Деформаційні характеристики керамічної маси

Навантаження m, г	Види деформацій
Пружна ε0, мкм	Еластична e2, мкм	Пластична ∆e1, мкм	Градієнт швидкості розвитку пластичної деформації ·104, с–1
				0,013
				0,028
				0,086
				0,150
				0,245

Далі за формулою (3.17) визначаємо напруження зсуву для кожного навантаження Р (дин/см²):

,

де m – навантаження, г; S – площа пластинок, між якими знаходиться керамічна маса, см² (S = 10 см²); g – прискорення вільного падіння, см/с² (981 см/с²).

Для m₁ = 1000 г: дин/см²,

m₂ = 1400 г: дин/см²,

m₃ = 1800 г: дин/см²,

m₄ = 2200 г: дин/см²,

m₅ = 2600 г: дин/см².

Результати розрахунку напруження зсуву наведено у табл. Д2.7.

Таблиця Д2.7 − Напруження зсуву при різних навантаженнях для заданої маси

За отриманими даними табл. Д2.6–Д2.7 було побудовано допоміжні графіки залежності:

ε₀ = f (Р);ε₂ = f (Р); .

При побудові залежностей ε₀ = f(P), ε₂ = f(P) та враховано, що вони мають бути показані прямими лініями, причому для залежності ε₀ = f(P), ε₂ = f(P)прямі мають проходити через початок координат (оскільки при Р = 0 деформація також дорівнює нулю). Важливо також, щоб коефіцієнт детермінації R² для таких лінійних залежностей перевищував 0,75, що буде свідчити про можливість користування графіками. Отримані графіки наведені на рис. Д2.6–Д2.8.

Рисунок Д2.6 − Залежність пружної деформації від напруження зсуву

ε₀ = f(P)

Рисунок Д2.7 − Залежність еластичної деформації від напруження зсуву

ε₂ = f(P)

Рисунок Д2.8 − Залежність градієнту швидкості розвитку пластичної деформації від напруження зсуву

Користуючись побудованими допоміжними графіками (рис. Д2.6–Д2.8), формулами (3.5), (3.6), (3.10), а також враховуючи товщину шару дослідної маси, знаходимо константи, що характеризують її пружно-пластично-в’язкі властивості: модуль пружності (Е₁), еластичний модуль (Е₂), найбільшу пластичну в’язкість(η₁) та умовну статичну границю текучості ( ).

Для визначення модуля пружності Е₁ на графіку ε₀ = f(P) (рис. Д2.6) в області більших значень напруження зсуву знаходимо експериментальну точку, яка співпадає з побудованою прямою лінією. Відомі координати цієї точки (ε₀ = 980 мкм (980∙10^{-4 см), Р = 21,58∙104} дин/см²) використовуємо для розрахунку модуля пружності (а – товщина шару маси, яка в даному випадку дорівнює 0,55 см):

.

Так само для визначення еластичного модулю Е₂ на графіку
ε₂ = f(P) (рис. Д2.7) знаходимо експериментальну точку, яка співпадає з побудованою прямою лінією. Координати цієї точки (ε₀ = 218 мкм
(218∙10^{-4 см), Р = 17,65∙104} дин/см²) використовуємо для розрахунку модуля еластичності:

.

Для визначення умовної статичної границі текучості скористаємося графіком , який наведено на рис. Д2.8. Значенню відповідає відрізок, який відсікає на осі абсцис побудована пряма лінія. Як можна побачити з графіка, дорівнює 10,5 ∙ 10⁴ дин/см². Далі на графіку для визначення Р необхідно було б знайти експериментальну точку, яка співпадала б з прямою лінією, але такої нема. Тоді в області більших значень напруження здвигу знайдемо точку перетину ламаної лінії, що з’єднує експериментальні точки, з прямою лінією і визначимо координати цієї точки. Як можна побачити з рис. Д2.8, координати точки перетину такі: градієнт швидкості розвитку пластичної деформації = 0,18 ∙ 10^-4 с^-1, напруження здвигу Р = 23 ∙ 10⁴ дин/см².

Тоді пластична в’язкість η₁ дорівнюватиме:

Значення усіх констант, що характеризують пружно-пластично-в’язкі властивості маси, зведені в табл. Д2.8.

Отримані значення використовувалися для розрахунку уточнених деформаційних характеристик мас , і , за якими в подальшому розраховувалася сумарна деформація , яку розглядають як 100 %. Означені деформаційні характеристики визначалися за формулами (3.18) - (3.20) при Р = 20·10⁵ дин/см² і τ = 10³ с, їх розрахункові значення наведені в табл. Д2.9.

Таблиця Д2.8 − Розрахункові значення пружно-пластично-в’язких констант заданої маси

Модуль пружності Е1, дин/см2	Модуль еластичності Е2, дин/см2	Умовна статична границя текучості , дин/см2	Найбільша пластична в’язкість h1, пз
1,2 · 106	4,45 · 106	10,5 · 104	69,4 · 108

Таблиця Д2.9 – Розрахункові значення деформаційних характеристик маси

Вид деформації	Значення деформації	Відсоток деформації
Швидка еластична деформація (пружна),	1,67	69,8
Повільна еластична деформація,	0,45	18,8
Пластична деформація,	0,27	11,4
Разом	2,39

Після визначення долі кожного з видів деформації, точки, що відповідають , , , наносилися на потрійну діаграму, яка дозволила визначити структурно-механічний тип маси (рис. Д2.9).

Рисунок Д2.9 – Деформаційні характеристики заданої маси

Далі за формулою (3.7) визначимо рівноважний модуль Е, а за формулами (3.11) - (3.13) структурно-механічні властивості керамічної маси - еластичність, пластичність і період дійсної релаксації відповідно.

Рівноважний модуль :

Еластичність:

Пластичність:

Період дійсної релаксації:

Додатково до наведених вище структурно-механічних критеріїв визначимо також умовну потужність деформації для секундного об’єму керамічної маси, що характеризує величину молекулярних сил зчеплення системи. Її знаходять за відношенням напруги зсуву Рʹ = 20·10⁵ дин/см², що відбувається за час τ = 10³ с, до сумарної відносної деформації і множенням його на секундний об’єм маси, яка обробляється, за умов V = 1 см³, = 0,001 с^–1, тобто:

Критерій формувальної здатності маси становить:

Дані щодо визначення пружно-пластично-в’язких констант маси, її деформаційних характеристик та структурно-механічних критеріїв наведені у табл. Д2.10.

Таблиця Д2.10 – Деформаційні характеристики та структурно-механічні властивості дослідного матеріалу

Назва показника	Значення
СГС	СІ
Вологість маси, W		%		%
Модуль пружності, Е1·10-6	1,2	дин/см2	0,12	Па
Еластичний модуль, Е2·10-6	4,45	дин/см2	0,445	Па
Найбільша пластична в’язкість,η1·10-8	69,4	пз	6,94	Па·с
Умовна статистична границя текучості, ·10-4	10,5	дин/см2	1,05	Па
Еластичність, λ	0,21	–	0,21	–
Пластичність, ·106		c-1		c-1
Період дійсної релаксації, Θ1		c		c
Швидка еластична деформація,	69,8	%	69,8	%
Повільна еластична деформація,	18,8	%	18,8	%
Пластична деформація,	11,4	%	11,4	%
Умовна потужність деформації для секундного об’єму маси, Nε·10-5	8,37	ерг/с	8,37·10-5	кВт
Критерій формувальної здатності пластичної маси, В	1,92	-	1,92	-
Cтруктурно-механічний тип	нульовий

З даних наведеної таблиці видно, що досліджена маса відноситься до типу «0», характеризується значною пружною деформацією і, навпаки, малою пластичною деформацією. Це вказує на погані формувальні властивості маси та її схильність до крихкого руйнування. Про те ж саме свідчить значення критерію формувальної здатності маси 1,92, яке є надмалим (при необхідних (0,5 ÷ 2,1) ∙ 10³). Структурно-механічні критерії якості маси також не відповідають оптимальним.

Отримані значення деформаційних характеристик свідчать про те, що така маса придатна для приготування технічної суспензії, але не пластичної маси. Як відомо з літератури, для регулювання властивостей керамічних мас з таким типом структури доцільним є складання шихт, які б додатково містили два компоненти. Один з цих компонентів має бути пластифікатором – для покращення пластичності маси, а другий – опіснювачем – для зниження пружності і збільшення еластичності маси.

Додаток 3

ЗВ'ЯЗОК МІЖ ОДИНИЦЯМИ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН,
ЯКІ ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ В РОЗРАХУНКАХ

Фізична величина	Позначення	СГС	СІ
Умовно миттєвий модуль пружності	Е1	дин/см2	0,1 Па
Еластичний модуль	Е2	дин/см2	0,1 Па
Умовна статична границя текучості		дин/см2	0,1 Па
Напруження зсуву	Р	дин/см2	0,1 Па
Найбільша пластична в’язкість	η1	пз	0,1 Па·с
Пластичність		с–1	с–1
Умовна потужність деформації для секундного об’єму маси	Nε	ерг/с	10–10 кВт

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Ничипоренко С. П. К теории обработки пластичных керамических масс / Ничипоренко С. П. – Киев: Изд-во Академии архитектуры УССР, 1954. – 39 с.

2. Ничипоренко С. П. Физико-химическая механика дисперсных структур в технологии строительной керамики / Ничипоренко С. П. – Киев: Наукова думка, 1968. – 75 с.

3. Круглицкий Н. Н. Основы физико-химической механики. Ч. 1 / Круглицкий Н. Н. – Киев: Вища школа, 1975. – 268 с.

4. Прокофьев В. Ю. Методы измерения реологических свойств паст для экструзии / В. Ю. Прокофьев // Стекло и керамика. – 2010. – № 4. – С. 22-26.

5. Ильин А. П. Физико-химическая механика в технологии катализаторов и сорбентов: монография / А. П. Ильин, В. Ю. Прокофьев. – Иваново: ИГХТУ, 2004. – 315 с.

6. Ничипоренко С. П. Основные вопросы теории процессов обработки и формования керамических масс / Ничипоренко С. П. – Киев: Наукова думка, 1960. – 112 с.

7. Быхова А. Ф. О выборе технологии производства керамических масс / А. Ф. Быхова, С. П. Ничипоренко, В. В. Хилько. – Киев : Наукова думка, 1980. – 52 с.

8. Урьев Н. Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов / Урьев Н. Б. – М.: Химия, 1988. – 256 с.

9. Химическая технология керамики: Учебное пособие для вузов/ Под ред. проф. И.Я.Гузмана. – М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003 – 496 с.

10. Практикум по технологии керамики и огнеупоров / Под ред. Д. Н. Полубояринова и Р. Я. Попильского. – М.: Стройиздат, 1972. – 200 с.

11. Гузман И. Я. Практикум по технологии керамики / Под ред. проф. Гузмана И. Я. – М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2004. – 195 с.

12. Гузман И. Я. Химическая технология керамики / Под ред. проф. Гузмана И. Я. – М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. – 496 с.

13. Дятлова Е.М. Химическая технология керамики и огнеупоров. Лабораторный практикум / Е.М. Дятлова, В.А. Бирюк. – Минск: БГТУ, 2006. – 284 с.

ЗМІСТ

ВСТУП.. 3

МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ.. 3

ЗАГАЛЬНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ.. 4

Лабораторна робота 1

ВИЗНАЧЕННЯ ПЛАСТИЧНОЇ МІЦНОСТІ КЕРАМІЧНИХ МАС.. 6

Лабораторна робота 2

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНОЇ ФОРМУВАЛЬНОЇ ВОЛОГОСТІ КЕРАМІЧНИХ МАС ЗА ЇХ ПЛАСТИЧНОЮ МІЦНІСТЮ... 11

Лабораторна робота 3

ВИЗНАЧЕННЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНИХ ТИПІВ КЕРАМІЧНИХ МАС ЗА ДЕФОРМАЦІЙНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.. 16

Лабораторна робота 4

ОПТИМІЗАЦІЯ СКЛАДУ ГЛИНОВМІСНИХ КЕРАМІЧНИХ МАС ДЛЯ НА ОСНОВІ АНАЛІЗУ СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЇХ КОМПОНЕНТІВ 27

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ.. 35

Додаток 1. 36

Додаток 2. 39

Додаток 3. 54

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.. 55

Навчальне видання

Методичні вказівки до циклу лабораторних робіт «Визначення деформаційних характеристик глинистих матеріалів та оптимізація структурно-механічних властивостей керамічних мас» з курсу «Основи наукових досліджень і технічної творчості» та для виконання дипломних робіт магістрів для студентів спеціальності 05130104 «Хімічні технології тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів» усіх форм навчання

Укладачі: ЩУКІНА Людмила Павлівна

СОБОЛЬ Юлія Олегівна

ФЕДОРЕНКО Олена Юріївна

РИЩЕНКО Михайло Іванович

ЦАПКО Наталія Сергіївна

Відповідальний за випуск М. І. Рищенко

Роботу до видання рекомендував А. М. Бутенко

Редактор Ю. І. Гуренко

План 2014, поз. 117/

Підп. до друку .15. Формат 60х84 1/16. Папір офсетний.

Друк – ризографія. Гарнітура Times New Roman. Ум. друк. арк. 2,5.

Наклад 50 прим. Зам. № . Ціна договірна.

___________________________________________________________________

Видавничий центр НТУ «ХПІ».

Свідоцтво про державну реєстрацію ДК № 3657 від 24.12.2009 р.

61002, Харків, вул. Фрунзе, 21

___________________________________________________________________

Друкарня НТУ «ХПІ», 61002, Харків, вул. Фрунзе,21

Поиск по сайту: