Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.

Плотность металлов: расчет и примеры использования

Под плотностью принято понимать количество вещества в определенном объеме, соответственно, формула для математического вычисления этой величины следующая:

Для обозначения этого показателя используют греческую букву ρ.

Благодаря универсальности этой характеристики с ее помощью сравнивают различные материалы. Также последние можно идентифицировать по плотности, как сделал это Архимед, усомнившийся в подлинности золотой короны. Он вычислил плотность металла и доказал, что перед ним подделка.

Величина этого показателя определяется двумя факторами:

• атомарной и молекулярной массой вещества;
• средним расстоянием между атомами и молекулами.

К примеру, плотность углеродных материалов ниже, чем этот показатель у любого переходного металла за счет более высокой массы атомов последних. Также можно привести в пример два углеродных материала графит и алмаз – более высокая плотность второго обусловлена меньшими межатомными расстояниями.

К самой многочисленной в периодической таблице элементов группе металлов относятся простые вещества, которые обладают:

• ковкостью (способностью к пластическому деформированию без разрушения);
• высокой электро- и теплопроводностью;
• отрицательным температурным коэффициентом проводимости;
• характерным металлическим блеском.

Металлам свойственна низкая электроотрицательность, отличающая их от азота, кислорода или углерода, что делает возможным образование металлических межатомных связей. Последние проявляются в электрическом взаимодействии несущих положительный заряд ионов с отрицательно заряженными электронами, причем силы такого взаимного влияния имеют ненаправленный и нелокализованный характер.

На атомарном уровне структура любого металла упорядочена и представляет собой так называемую кристаллическую решетку, строение которой и определяет плотность.

Этот показатель может сильно отличаться у разных металлов. Например, наименьшую плотность имеет литий, который вдвое уступает по этому параметру воде. А осмий стоит на первом месте с плотностью, достигающей 22,59 г/см³.

Определить, какая плотность свойственна конкретному металлу, можно различными методами.

К экспериментальным способам относят два основных вида определения плотности металлов:

1. Для тел идеальной геометрической формы (шара, куба, параллелепипеда и т. д.) можно воспользоваться взвешиванием и несложным вычислением объема.
2. Для гидростатического измерения плотности пользуются специальными весами, которые Галилео Галилей разработал в XVI веке. Для вычисления значения ρ здесь пользуются несложной формулой, в которую проставляют массы тела в двух средах – воздушной и водной.

Теоретический метод, позволяющий определить плотность металлов и сплавов, также довольно прост: нужно располагать данными о типе кристаллической решетки, атомарной массе и среднем расстоянии между атомами.

Важность определения плотности металла в промышленности

Плотность материалов или отношение массы на единицу объема является физической величиной, на которой базируется большая часть технологий. Данный показатель принято измерять в г/см³, реже – в кг/м³.

Информация о плотности большей части широко применяемых в производстве типов стали, чугуна и других металлов и сплавов, включая цветные, содержится в специализированных справочниках и другой технической литературе. Если же для сплава с нестандартным составом нет таких данных, его плотность определяют в подавляющем большинстве случаев гидростатическим методом и примерно в пяти случаях из 100 прибегают к помощи пикнометра.

ГОСТы по гидростатическому методу измерения плотности:

• ГОСТ 15239 (1969 год).
• ГОСТ 20018 (1974 год).
• ГОСТ 25281 (1982 год).
• Технические условия 48-19-76-90.

Для измерения плотности используют хорошо смачивающую жидкость с максимально низкой летучестью, которая не реагирует с исследуемым металлом. Самым доступным и простым вариантом является дистиллированная вода.

Точное измерение плотности имеет критическое значение при выборе материалов для изготовления деталей самолетов и ракет, где конструкционные элементы, детали и узлы механизмов обязательно должны обладать максимально высокими механическими характеристиками при минимальной массе.

Одно из основных современных направлений в разработке новых конструкций и узлов – достижение оптимального соотношения прочности и веса. Определяющее значение в решении таких задач имеет плотность.

Примеры значений плотности наиболее востребованных металлов

Железо обладает плотностью 7,874 г/см³, никель – 8,91 г/см³, хром – 7,19 г/см³, вольфрам – 19,25 г/см³. Эти значения приведены для твердого состояния сплавов. В расплаве металла плотность меняется.

Без металлов сложно представить себе промышленность и быт современного человека. С каждым годом увеличиваются объемы их выплавки. Земная кора содержит большие количества отдельных представителей этой группы. К примеру, железо составляет около 4,6 % ее состава, алюминий – 8,9 %, магний – 2,1 %, а титан – 0,63 %. В металлургии принято разделение этих элементов на подгруппы.

Группа черных металлов включает в себя сталь и чугун различных сортов. Сталью принято называть сплавы с процентной долей железа от 45 % и выше, а углерода в диапазоне от 0,1 до 2,14 %. При более высоком содержании углерода сплав относят к чугуну.

При введении в состав металла при его выплавке определенного количества легирующих добавок можно получать сплавы с заданными физико-химическими характеристиками. Плотность черных металлов наряду с другими их свойствами регламентируется соответствующими нормами ГОСТ.

Плотность стальных сплавов зависит от их химического состава и может варьироваться от 7,6 до 8,8 г/см³. Такой металл имеет сложную структуру. Легирующие добавки не просто смешиваются с основным материалом, а встраиваются в решетку, образуя сложные связи, что позволяет менять целый ряд характеристик, в том числе и плотность. Наибольшее значение по этому параметру имеют марки быстрорежущих сталей, в состав которых введен высокий процент вольфрама.

Широкое распространение в промышленности получили бронза (медные сплавы, содержащие олово, алюминий, свинец и бериллий), латунь, медь и алюминий. Сплав, давший название бронзовому веку, когда практически все оружие, орудия труда и бытовые предметы изготавливались из него, состоял из меди и мышьяка.

Латунью называются сплавы меди с цинком и/или оловом. Для увеличения ломкости стружки в состав может быть введен свинец. Помимо использования для изготовления большого разнообразия деталей, применяющихся в самых различных областях – от космической отрасли до судостроения, эти сплавы востребованы в качестве материала для ювелирных и художественных изделий.

Дюралюминий – алюминиевый сплав, содержащий 4,4 % меди, – нашел широкое применение в авиационной промышленности благодаря высокой прочности в сочетании с малым удельным весом.

Говоря о плотности легких металлов, следует упомянуть титан, прочность которого сравнима с аналогичным показателем многих марок стали при почти вдвое меньшем удельном весе. Этот металл используют в изготовлении протезов, спортивного инвентаря, оружия, оборудования для химической промышленности (почти 15 % от всего объема). Не менее 70 % всего производимого титана используется в самолетостроении.

Знакомство человечества с металлами началось с золота и серебра. С незапамятных времен и до нашего времени эти драгоценные металлы в основном использовались как материал для изготовления ювелирных украшений и предметов искусства.

Высокая тугоплавкость вольфрама делает его незаменимым материалом для изготовления деталей различных приборов, а благодаря высокой плотности из него часто производят элементы радиационной защиты.

Из пластичного жаропрочного сплава хрома и никеля – нихрома – изготавливают, в частности, долговечные и прочные нити для электронагревательных элементов производственного оборудования и бытовых приборов.

Плотность всех этих металлов и сплавов, обладающих различным химическим составом, занесена в специальные таблицы и справочники, что позволяет быстро рассчитать вес металлической детали по ее размерам.

Важность плотности металла шва при сварке

На плотность материала сварных швов, помимо свойств металла соединяемых элементов и сварочного стержня, влияют также пустоты и мелкие усадочные раковины. Порообразование при сваривании деталей обусловлено, как правило, растворением в расплаве выделяющегося при сварке газа.

Оценить пористость металла в сварных швах можно, пользуясь разными методиками:

1. Чаще всего проверяют прочность сварных соединений канистр для горючих материалов, масла, воды, а также газгольдеров, трубопроводов, паровых котлов и т. д. Испытания непроницаемости и герметичности сварных швов корпуса металлического судна регламентирует ГОСТ 3285 от 1977 года, металлических труб с помощью гидравлического давления – ГОСТ 3845 от 1975 года. Гидравлические и воздушные испытания, которым подвергают машины, механизмы, паровые котлы, сосуды и аппараты судов регламентированы ГОСТ 22161 (1976 год).
2. Для проведения гидравлического испытания в воде или другой жидкости, наполняющей сосуд, насосом или гидравлическим прессом создают давление в 1,1–1,5 раза выше рабочего. Для измерения давления используют поверенный и опломбированный манометр. Выдержка составляет от 5 до 10 минут, в течение которых проводят осмотр сварных швов, чтобы исключить подтекание и отпотевание (образование конденсата).
3. Открытые нефтяные резервуары, газгольдеры и другие сосуды для испытания наполняют водой и через несколько часов производят тщательный осмотр. Помимо струек и отпотевания на корпусе, о нарушенной герметичности швов может свидетельствовать понижение уровня жидкости. При испытании места соединения проливают водяной струей, используя рукав, после чего осматривают обратную сторону, чтобы исключить наличие капель или струек воды. С помощью гидравлических испытаний швы проверяются как на плотность, так и на прочность.
4. Для пневматических испытаний испытываемые емкости заполняют под давлением воздухом или другим газом. Если позволяют размеры, сосуд погружают в воду, чтобы обнаружить выходящие через дефекты шва пузырьки. Для обследования больших резервуаров или труб, на участки сварного соединения наносят специальные пенные растворы. О наличии дефектов может говорить падение давления в испытываемом сосуде в течение 10–100 часов. Для испытания крупногабаритных резервуаров или соединений трубопроводов также можно использовать струю сжатого воздуха, который подается с расстояния 3 см под прямым углом к сварному шву. Давление должно составлять не менее 400 кПа. Для того чтобы можно было визуально определить места пониженной плотности металла шва, на его обратную сторону наносят пенный раствор.

Важно! Недопустимо обстукивать испытываемые давлением сварные швы и пытаться избавиться от дефектов в ходе испытаний.

Рекомендуем статьи

• Хранение электродов и восстановление покрытия
• Сила сварочного тока: разбираемся в нюансах настройки
• Фосфатирование: особенности технологии

Плотность металлов служит одной из ключевых характеристик в большинстве современных производственных процессов.

Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.

Металлы имею такие физические свойства, как твердость, температуру плавления, плотность, пластичность, электропроводность, теплопроводность и цвет.

Твёрдость:

Все металлы, кроме ртути и, условно, франция, при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.

Таблица твёрдости металлов по шкале Мооса:

Температура плавления:

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −38,83 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам).

Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от температуры плавления металлы делятся на: легкоплавкие (до 600 °C); среднеплавкие (от 600 до 1600 °C); тугоплавкие (выше 1600 °C).

Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:

Плотность:

В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 г/см³).

Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца ), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Пластичность:

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.

Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.

Пластичность зависит и от чистоты металла . Так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

Электропроводность:

Все металлы хорошо проводят электрический ток, обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля.

Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность. По этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также и натрий. В экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Теплопроводность:

Теплопроводность металлов зависит от подвижности свободных электронов.

Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла. Широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.

Цвет:

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый, иногда с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Металлы подразделяются на цветные и черные.

Чёрные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны). К чёрным металлам также зачастую относят марганец и, иногда, – хром и ванадий.

Цветные металлы — это особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. К цветным металлам относятся медь, молибден, свинец, цинк, олово, никель, кадмий, кобальт, алюминий, титан, магний, висмут, вольфрам, ртуть, золото, платину, серебро, палладий, родий, рутений, осмий, иридий.

Вес металла таблица

Наиболее распространенными сплавами на основе меди считаются латунь и бронза. Их состав формируется также из других элементов:

• цинка;
• никеля;
• олова;
• висмута.

Все сплавы различаются между собой структурой. Наличие олова в составе позволяет делать бронзовые сплавы отменного качества. В более дешевые сплавы входит никель либо цинк. Производимые материалы на основе Cuprum обладают следующими характеристиками:

• высокая пластичность и износостойкость;
• электропроводность;
• устойчивость к агрессивной среде;
• низкий коэффициент трения.

Сплавы на основе меди находят широкое применение в промышленном производстве. Из них производят посуду, ювелирные украшения, электропровода и системы отопления. Материалы с Cuprum часто используют для декорирования фасадной части домов, изготовления композиций. Высокая устойчивость и пластичность являются основными качествами для применения материала.

Плотность черных металлов

Металлы и их плотность

Читайте также: Насадки для гравера: виды фрез по дереву и металлу для бормашины

Металлические материалы представляют собой твердые вещества при комнатной температуре и атмосферном давлении (исключением является лишь ртуть). Они обладают высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью и имеют характерный блеск в отполированном состоянии поверхности. Многие свойства металлов связаны с наличием у них упорядоченной кристаллической решетки, в узлах которой сидят положительные ионные остовы, связанные друг с другом с помощью отрицательного электронного газа.

Что касается плотности металлов, то она изменяется в широких пределах. Так, наименее плотными являются щелочные легкие металлы, такие как литий, калий или натрий. Например, плотность лития составляет 534 кг/м3, что практически в два раза меньше аналогичной величины для воды. Это означает, что пластинки из лития, калия и натрия не будут тонуть в воде. С другой стороны, такие переходные металлы, как рений, осмий, иридий, платина и золото, обладают огромной плотностью, которая в 20 и более раз превышает ρ воды.

Ниже приведена таблица плотности металлов. Все значения соответствуют комнатной температуре в г/см3. Если эти значения умножить на 1 000, то мы получим ρ в кг/м3.

Почему существуют металлы с высокой плотностью и с низким ее значением? Дело в том, что значение ρ для каждого конкретного случая определяется двумя основными факторами:

• Особенностью кристаллической решетки металла. Если эта решетка будет содержать атомы в максимально плотной упаковке, тогда макроскопическая его плотность будет выше. Самой плотной упаковкой обладают ГЦК и ГПУ решетки.
• Физическими свойствами атома металла. Чем больше его масса и чем меньше радиус, тем выше значение ρ. Этот фактор объясняет, почему металлами с высокой плотностью являются химические элементы с большим номером в периодической таблице.

Плотность нержавеющих сталей

Плотность вещества

Прежде чем разобраться с плотностью металлов в кг/м3, познакомимся с самой физической величиной. Плотностью называют отношение массы тела m к его объему V в пространстве, что математически можно записать так:

Изучаемую величину обычно обозначают буквой греческого алфавита ρ (ро).

Вам будет интересно:Что значит «чекать»: значение и варианты употребления

Если разные части тела имеют отличные массы, то с помощью записанной формулы можно определить среднюю плотность. При этом локальная плотность может значительно отличаться от средней.

Как видно из формулы, величина ρ выражается в кг/м3 в системе СИ. Она характеризует количество вещества, которое помещается в единице его объема. Эта характеристика во многих случаях является визитной карточкой веществ. Так, у разных металлов плотность в кг/м3 является различной, что позволяет их идентифицировать.

Плотность сплавов цветных металлов

Экспериментальное определение плотности

Предположим, у нас имеется кусок неизвестного металла. Как можно определить его плотность? Вспоминая формулу для ρ, приходим к ответу на заданный вопрос. Для определения плотности металла достаточно взвесить его на каких-либо весах и измерить объем. Затем следует первую величину разделить на вторую, не забывая об использовании правильных единиц измерения.

Если геометрическая форма тела является сложной, то объем его измерить будет нелегко. В таких случаях можно воспользоваться законом Архимеда, поскольку объем вытесненной жидкости при погружении тела будет точно равен измеряемому объему.

На использовании закона Архимеда также основан метод гидростатических весов, изобретенных в конце XVI века Галилеем. Суть метода заключается в измерении веса тела в воздухе, а затем в жидкости. Если первую величину обозначить P0, а вторую — P1, тогда плотность металла в кг/м3 вычисляется по такой формуле:

ρ = P0 * ρl / (P0 — P1)

Читайте также: Как сделать самодельный фрезерный станок по металлу своими руками?

Где ρl — плотность жидкости.

Свойства жидких металлов

В таблице представлены теплофизические свойства жидких металлов в зависимости от температуры в диапазоне от 0 до 800°С. Даны следующие свойства: плотность металлов, теплопроводность, удельная (массовая) теплоемкость, температуропроводность, кинематическая вязкость, число Прандтля.
Свойства указаны для таких жидких металлов и сплавов, как ртуть Hg, олово Sn, висмут Bi, свинец Pb, сплав висмут-свинец Bi-Pb, литий Li, натрий Na, калий K, сплав натрий-калий Na-K. Для каждого металла и сплава также указана его температура плавления и кипения.

Плотность жидких металлов, представленных в таблице, значительно различается. Металлом с минимальной плотностью является литий (литий — самый легкий металл среди существующих) — его плотность в жидком состоянии при температуре 200°С равна 515 кг/м3. Наиболее тяжелый из рассмотренных жидких металлов — это ртуть. Плотность ртути при 0°С равна 13590 кг/м3. Следует отметить, что плотность жидких металлов уменьшается при нагревании.

Теплопроводность жидких металлов увеличивается при повышении их температуры (за исключением натрия и калия, теплопроводность которых имеет обратную зависимость). Наиболее теплопроводный жидкий металл — это натрий. Теплопроводность жидкого натрия имеет величину 60…86 Вт/(м·град). В целом, щелочные металлы (литий, натрий и калий) обладают высокой теплопроводностью по сравнению с другими жидкими металлами.

Кинематическая вязкость и число Прандтля жидких металлов уменьшаются при нагревании. Теплоемкость и температуропроводность этих металлов — растет. Однако, удельная теплоемкость таких жидких металлов, как свинец, олово, висмут и сплава свинец-висмут не зависит от температуры и является постоянной величиной.

Перевозки изделий из металлов

В системе грузоперевозок задействовано такое понятие, как «объёмный вес». Если масса предмета в одном кубическом метре 167 кг, то такой вес считается физическим, а если меньше — объёмным. Например, масса куба стали углеродистой — 7750 кг. Другими словами, объёмный вес стали 7750 кг. Эти расчёты нужны, чтобы определить, какой объем займёт перевозимый груз.

Однако в зависимости от того, какие металлические изделия перевозятся, объем будет меняться. Предположим, что есть несколько различных метизов одной и той же марки стали. По идее, они обладают одинаковой плотностью. Однако слитки, крупносортные изделия и бунты проволоки обладают различным объёмом, а следовательно, при их перевозке займут больше или меньше места на транспорте. Таким образом, они обладают разным объёмным весом. При любых условиях кубометр стали больше 167 кг, следовательно, его не назовёшь объёмным.

Источник https://vt-metall.ru/articles/915-plotnost-metallov/

Источник https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/fizicheskie-svoystva-metallov-tverdost-plotnost-i-dr/

Источник https://generator98.ru/metally/plotnost-nikelya-g-sm3.html