2011《无机非金属材料学》实验指导书

《无机非金属材料学》

实验指导书

适用专业: 材料科学与工程 课程代码: 8101650 总学时: 48 总学分: 3

编写单位: 材料科学与工程学院 编 写 人: 向朝进 冯宁博 审 核 人: 审 批 人:

《无机非金属材料学》实验指导书

目 录

实验一 玻璃热稳定性的测定???????????????????????? 2 实验二 无机非金属材料制品气孔率、吸水率和体积密度的测定????????? 4 实验三 混凝土立方体抗压强度试验?????????????????????? 8 主要参考文献

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??????????????????????????????? 11 《无机非金属材料学》实验指导书

实验一 玻璃热稳定性的测定（实验代码1）

一、实验目的和任务

玻璃的热稳定性又称耐急冷急热性，也称耐热温差等，是玻璃抵抗冷热急变的能力，它在玻璃的热加工方面和日常使用中特别重要。

本实验的目的是了解测定玻璃热稳定性的实际意义，掌握淬冷法测定玻璃热稳定性的原理和测定方法。

二、实验仪器、设备及材料

(1)箱式电炉；

(2) 样品筐(金属丝编制)； (3) 放大镜(10倍)； (4) 塑料烧杯(1000mL)

(5) 温度计(300~C，50~C各1支)；

三、实验原理

淬冷法测定玻璃热稳定性的原理是：当玻璃被加热到一定温度后，如予以急冷，则表面温度很快

降低，产生强烈的收缩，但此时内部温度仍较高，处于相对膨胀状态，阻碍了表面层的收缩，使表面产生较大的张应力，如张应力超过其极限强度时，制品即破坏。

由于玻璃的抗张强度远小于抗压强度，所以淬冷法测得的耐急冷温差较低，也较为简便和安全。

四、实验步骤

1)制备试样：将待测试的玻璃(无缺陷)制成直径3—5mm，长度约20—25mm的小玻璃棒，玻璃棒的两端要烧圆，防止切割时产生的裂纹影响实验结果。烧圆后将试样退火，消除残余应力。

2)选择尺寸相近、两端烧圆、已经退火并且无可见裂纹的试样10个，放在样品筐中，并将小筐放在电炉内。

3)在电炉中安装水银温度计，水银球应接近小筐。合上盖板，关闭电炉底部活门。

4)淬冷时，先用水银温度计测烧杯中的水温，然后将电炉底部活门打开，迅速从支架上放下小筐，使小筐落人盛水的烧杯内，将试样淬冷。

5)将淬冷后的试样取出，用放大镜仔细检查试样是否已有炸裂现象。将有炸裂纹的试样取出，记录试样加热温度、淬冷前水温及该温差条件下破坏试样数。

6)将未炸裂的试样重新装入炉中，温度升高5—10oC，重复上述操作，直到全部试样炸裂为止。

五、实验结果

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1．试样玻璃的热稳定性可用实测的平均耐热温差△T表示，计算公式为：

△T=（N1△T1+N2△T2+????+Ni△T）/ N1+N2+???+Ni

式中，Ni 为炉子和冷却水温差等于△T( i = 1，2，?，m )时破裂的试样数。 2．将实验结果整理列下表：

玻璃热稳定性的测定记录表

试样名称 编号 冷水温度 oC 试样直径 mm o试样长度 mm 室温 C 炉温oC 破裂的试样数 破裂温度差oC

六、实验注意事项

(1)样品选择是实验的关键之一，应在实验前先指导学生，学会观察不易发现之裂缝， 以免实验时造成误差。

(2)炉底活门应能灵活开启，活门、小筐、水浴应在同一垂线内，以免实验时跌在水浴外面。 (3)本实验的温度较低(例如普通窗玻璃平均耐热温差约为90oC左右)，实验时，升温要缓慢，以免升温过快，使实验不易控制及造成水银温度计损坏。

(4)每次淬冷前应测定炉内温度和水温，并及时记录以免遗漏。

七．思考题

1．影响测定玻璃热稳定性的因素及防止措施有哪些? 2．玻璃的热稳定性与哪些因素有关?

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实验二 无机非金属材料制品气孔率、吸水率和体积密度的测定

一、实验的目的和任务

无机非金属材料制品内部都是有气孔的，这些气孔的特征对材料的结构和性能有重要的影响，其中气孔率是反应材料结构特征的重要指标之一。气孔率通常分为真气孔率，显气孔率和闭口气孔率。显气孔率系指制品的所有开口气孔的体积与其总体积之比值。闭口气孔率是指所有闭口气孔的体积与其总体积之比值。真气孔率是指制品中的全部气孔，即显气孔率与闭口气孔率的总和。吸水率则是指制品中所有开口气孔所吸收的水的质量与其干燥制品的质量之比值，也是反应材料结构特征的指标之一。上述各项皆以百分数表示。

材料研究中，气孔率、吸水率和体积密度的测定是对制品质量进行检定的最常用的方法之—。在这些材料制品的生产中，测定这三个指标对生产控制有重要意义。本实验要求了解气孔率，体积密度等概念的物理意义，掌握气孔率，体积密度的测定原理和方法，并能分析气孔率和体积密度测试中误差产生的原因。

二、实验仪器、设备及材料

普通天平(感量0.01g)； 烘箱； 抽真空装置； 烧杯；

煮沸用器皿

毛刷、镊子、吊篮、小毛巾、三角架；

三、实验原理

本实验是根据阿基米德原理，用液体静力称重法来进行测定的。测定时先将试样开口空隙中空气排除，充以液体（媒介液），然后称量饱和液体的试样在空气中的重量及悬吊在液体的重量，根据公式计算得出上述各项。由于液体浮力的作用，使两次称量的差值等于被试块所排开的同体积液体，此值除以液体比重即得试块的真实体积。试块饱吸液体之前与饱吸液体之后，在空气中的二次称量差值，除以液体的比重即为试样开口孔隙所占体积，在按公式计算显气孔率时，液体比重已被约去。下表为水在不同温度下的比重。

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《无机非金属材料学》实验指导书 温度（℃） 0 2 4 6 8 10 12 14 密度 0.99987 0.99997 1.00000 0.99997 0.99988 0.99973 0.99952 0.99927 温度（℃） 16 18 20 22 24 26 28 30 密度 0.99897 0.99862 0.99823 0.99780 0.99732 0.99681 0.99626 0.99567 温度（℃） 32 34 36 38 40 42 44 46 密度 0.99505 0.99440 0.99371 0.99299 0.99224 0.99147 0.99066 0.98982 四、测试步骤

1）、刷净试样表面灰尘，放入电热烘箱中于105～110℃下烘干2小时或在允许的更高温度下烘干至恒值，并于干燥器中自然冷却至室温，称量试样的质量M1，精确至0.01g。试样干燥至最后两次称量之差不大于其前一次的0.1%即为恒重；

2）、将试样置于烧杯或其他清洁容器中，并放于真空干燥箱内抽真空至<20Torr，保压5分钟，然后在5分钟内缓慢注入浸液，至浸没试样。保持2 5分钟。将试样连同容器取出后，在空气中静置30分钟；

3）、饱和试样的表观质量的测定：将饱和试样吊在天平钓钩上，并浸入有溢流管容器的浸液中，称取饱和试样的表观质量M2。表观质量为饱和浸液的试样在浸液中称得的质量；

4）、饱和试样质量：用饱和了浸液的毛巾，小心地拭去饱和试样表面流挂的液珠（注意不可将大孔中浸液吸出）。立即称取饱和试样的质量M3。

五、实验结果

1）、将实验数据填入下表：

气孔率、吸水率、体积密度测定记录 试样名称 试样处理 吸水率干试样质量 试样编号 M1 观质量M2 气中质量M3 饱和试样表 饱和试样在空 （Wa） （Pa）% % （Pt）% 率% 显气孔率真气孔率（P0） （Db） g/cm3 闭口气孔体积密度测定人 测定日期 - 5 -

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2）、吸水率、气孔率由以下公式计算： （1）吸水率Wa：

Wa?M3?M1?100%

M1（2）显气孔率Pa：

Pa?M3?M1?100%

M3?M2（3）体积密度Db：

Db?M1?D1?100%

M3?M2（4）真气孔率Pt

Pt?(Dt?Db)?100% Dt（5）闭口气孔率P0

P0?Pt?Pa

式中： M1—干燥试样的质量(g)； M2—饱和试样的表观质量(g)； M3—饱和试样在空气中的质量(g)； Dl—实验温度下，浸渍液体的密度(g/cm3)； Dt—试样的真密度(g/cm3)。

“表观质量”是指饱和试样的质量减去被排除的液体的质量。即相当于饱和试样悬挂在液体中的质量。

3）、实验精度要求

同一实验室，同一实验方法，同一块试样复验误差不允许超过： 显气孔率：0.5%； 吸水率：0.30%； 体积密度：0.02g/cm3； 真气孔率：0.5%。

六、注意事项

1)、制备试样时一定要检查试样有无裂纹等缺陷；

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2)、称取饱吸液体试样在空气中的质量时，用毛巾抹去表面液体操作必须前后一致； 3)、要经常检查天平零点以保证称重准确。

七、思考题

1)、实验中材料的真密度Dt指什么，该怎么计算； 2）、推导上述孔隙率、体积密度的计算公式； 3）、分析实验过程中产生误差的原因；

4）、结合教材，思考孔隙率对材料制品的那些性能存在影响。

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实验三 混凝土立方体抗压强度试验（实验代码3）

一、实验目的和任务

由于混凝土结构物主要是用来承受荷载，所以强度是混凝土的最重要性能指标，同时强度还和混凝土的其他性能存在密切联系。在钢筋混凝土结构中，混凝土主要是承受压力。检验混凝土的抗压强度简单易行，故用混凝土的抗压强度作为划分混凝土标号的标准，并作为结构设计计算的主要依据。混凝土抗压强度有多种检验方法，目前我国采用立方体抗压强度作为检验混凝土强度的标准方法。

本实验目的：

1．掌握混凝土立方体试件制作和强度测试方法； 2．掌握混凝土强度的计算方法。

二、实验仪器、设备及材料

1．压力实验机：实验机的精度(示值的相对误差)至少应为±2％，其量程应能使试件的预期破坏荷载不小于全量程的20％，也不大于全量程的80％。

2．振动台：振动频率为(50±3)Hz，空载振幅约为(0.5±0.1)mm。

3．试模：试模由铸铁或钢制成，应具有足够的刚度并拆装方便。试模内表面应机械加工，其不平度应为100mm不超过0.5mm，组装后各相邻面不垂直度应不超过±0.5。

4．捣棒、小铁铲、金属直尺、抹刀等。 5． 试件

尺寸应按下表规定选用：

混凝土立方体试件尺寸选用表 试样尺寸（mm x mm x mm） 100x100x100 150x150x150 200x200x200

集料最大粒径（mm） 30 40 60 o

三、实验原理

按规定方法制作立方体试件，养护到一定龄期后，在压力机上进行抗压强度实验，测试试件所能

承受的最大荷载，即可计算出试件的抗压强度。

四、实验步骤

一、试件的制作及养护

1. 试件采用人工插捣。混凝土拌合物分两层装入试模，每层的厚度大致相等。插捣用的钢制捣棒长为600mm，直径为16mm，端部磨圆。插捣时按螺旋方向从边缘向中心均匀进行，插捣底层时，捣

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棒应达到试模表面。插捣上层时，捣棒应穿人下层深度为20---30mm。插捣时捣棒应保持垂直，不得倾斜。同时，还应用抹刀沿试模内壁插人数次。每层的插捣次数，一般每lOOcm2截面不应少于12次。插捣完后，刮除多余的混凝土，并用抹刀抹平。

2. 试件采用标准养护方法时，应在成型后覆盖表面，以防止水分蒸发，并应在温度为 20oC±5

o

C 隋况下静置一昼夜至两昼夜，然后编号拆模。拆模后的试件应立即放人温度为20 oC±3 oC ，湿度

为90％以上的标准养护室中养护。 在标准养护室内试件应放在架上，彼此间隔为10-20mm，并应避免用水直接冲淋试件。

二．抗压强度实验

1. 试件从养护地点取出后，应尽快进行试验，以免试件内部的湿度发生显著变化。先将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观。试材尺寸测量精确至l mm，并据此计算试件的承压面积。如实测尺寸与公称尺寸之差不超过l mm，可按公称尺寸进行计算。

2将试件直立放置在试验机的下压板上，试件的轴心应与压力机下压板中心对准。开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。

3. 混凝土试件的试验应连续而均匀地加荷，其加荷速度应为：混凝土强度等级低于C30时，取0.3---0.5MPa／s；强度等级高于或等于C30时，取0.5---0.8MPa／s。当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载。

五、实验结果

混凝土轴心抗压强度Fcc(MPa)按下式计算(精确至0.1MPa)： Fcc = P/A

式中 P——破坏荷载(N)； A——试件承压面积(mln2)。

以三个试件测量值的算术平均值作为该组试件的立方体抗压强度值。三个测量值中的最大值或最小值中，如有一个与中间值的差值超过中间值的15％，则把最大值及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的立方体抗压强度值。如有两个测量值与中间值的差均超过中间值的15％，则该组试件的试验结果无效。

取150mm X l50mm X l50mm试件的抗压强度为标准值，用其他尺寸试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，对于200mm X 200mm X 200mm试件为1.05；对于100mm X l00mmX 100mm试件为0.95。

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六、思考题

1．测试混凝土抗压强度时，加荷速度的快慢对测试结果有何影响? 2．试件内外温差比较大，对测试结果有何影响? 3．不同尺寸的试件，为何换算时要乘以换算系数?

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主要参考文献

无机非金属材料实验教程 王瑞生 主编 冶金工业出版社 生 2004年 无机非金属材料专业实验 周永强 主编 哈尔滨工业大学出版社 2002年 无机非金属材料实验 施惠生 主编 同济大学出版社 1999年

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