Плотность нержавеющей стали – отечественные марки и стандарт AISI
Плотность (P) – это физическая величина, которая определяется для однородного материала либо вещества их массой (в г, кг или т) в единице объема (1 мм 3 , 1 см 3 или 1 м 3 ). То есть вычисляется делением массы на объем, в котором она заключена. В результате получается некая величина, которая для каждого материала и вещества имеет свое значение, изменяющееся в зависимости от температуры. Плотность еще называют удельной массой. Оперируя этим термином, проще понять суть данной характеристики. То есть это масса, которой обладает единица объема материала либо вещества.
И для вычисления теоретического (расчетного номинального) веса 1 погонного или квадратного метра какой-либо металлопродукции используют именно эту физическую величину – плотность, разумеется, для соответствующего металла. А во всех ГОСТах сортамента, где приводятся основные характеристики проката, после таблиц, в которых перечислены теоретические массы 1 погонного или квадратного метра изделий разных типоразмеров, обязательно указывается, какое именно значение плотности бралось при расчете. Зачем и когда нужно выяснять вес 1 метра металлопродукции, знают все, кому это надо. Этот параметр используют для вычисления общей массы одного изделия либо целой партии по их суммарной длине либо площади. А вот зачем и когда нужно знать плотность стали, в частности нержавеющей?
Дело в том, что для всех видов металлопродукции теоретическая масса 1 метра, приведенная в ГОСТах и справочниках, рассчитана была с использованием того или иного среднего значения плотности. Для стального проката чаще всего встречается указание на величину в 7850 кг/м 3 или 7,85 г/см 3 , что одно и то же. А фактическая P стали в зависимости от использованного для производства изделия сплава может варьироваться в пределах от 7600 до 8800 кг/м 3 .
При желании нетрудно подсчитать, какая будет погрешность в случае выполнения расчета массы уголка (либо изделия иного вида стального проката), изготовленного не из углеродистой или другой стали с плотностью 7850 кг/м 3 , а из другого более тяжелого (например, стали 12Х18Н10Т) либо легкого сплава. Для небольших объемов проката, и когда не требуется точное определение веса, разница будет несущественна. То есть приблизительный расчет общей массы металлопродукции на основе табличных данных из ГОСТа об весе ее 1 метра будет оправдан. К тому же, при отгрузке, как правило, делают взвешивание, чтобы определить фактический вес изделий для точности взаиморасчетов между поставщиком и покупателем.
Но нередко необходимо знать точный, пусть и теоретический, вес еще на стадии оформления заказа на поставку проката, а для конструкторских и проектных расчетов это является обязательным условием. Именно в таких случаях выясняют плотность для сплава, из которого изготовляется металлоизделие, а затем на основе этих данных делают корректировку взятой из ГОСТа массы его 1 метра. И только потом рассчитывают общий вес проката. Как корректировать вес 1 метра, рассмотрено ниже.
Что такое удельная теплоемкость стали и других материалов: терминология + расчётные особенности
Простой эксперимент выше четко дает понять, что у каждого химического элемента имеется собственный физический показатель, именуемый удельной теплоемкостью. В рамках нашего сайта вопрос рассматривается для стали и ее сплавов, ибо в черной/цветной металлургии оговоренный параметр крайне важен. Давайте рассмотрим термин «удельная теплоемкость» и особенность стали поподробнее.
1) Понятие удельной теплоемкости
Термин состоит из 2 слов – удельная и теплоемкость. Для простоты усвоения полного, разберем частное. Теплоемкостью называют количество поглощаемой теплоты при нагревании на температуру в 1 кельвин.
Более точное определение дается в учебнике 8 класса – физическая величина, просчитывающаяся как отношение количества теплоты в бесконечно малой смене температуры, к показателю этого изменения.
Теперь перейдём к удельной теплоемкости. В международной системе единиц величина представляется как заглавная/прописная латинская «С» , а единица измерения величины одна из двух – Джоули на килограммы, перемноженные на кельвины (Дж/(кг•К), или калории, деленные на килограммы, умноженные на градусы Цельсия (калория/(кг•°C). Второй вариант относится к одному из многих вариантов внесистемных единиц.
Важно: удельная теплоемкость напрямую зависит от значения температуры, а потому, в науке более точным считается формула со значениями, которые формально бесконечно малы.
В промышленности удельная теплоемкость с предельно минимальными значениями почти не используется поэтому в дальнейшем будет рассмотрена исключительно классическая формулировка формулы расчёта.
2) Что такое сталь: особенности материала + классификация
| Преимущества стали | Недостатки материала |
|---|---|
| Материал с высокими показателями прочности + обилие свойств, что обуславливается различными добавками и способами обработки стали. | Слабая стойкость классической стали к коррозии. Частично решает проблему покрытие нержавейкой/полимером. Нержавеющая сталь в 3-10 раз дороже своего «черного» собрата. |
| Хорошая вязкость с упругостью, что позволяет применять материал в местах как с динамическими, так и статическими нагрузками. | Из-за накопления электричества повышается электромеханическая коррозия. |
| Низкий показатель износостойкости, что обеспечивает материалу эксплуатационную долговечность. | Конструкции из стали имеют большой вес, что может усложнить монтаж/демонтаж и даже эксплуатацию. |
| Экономически обоснованный вариант сырья, ибо добыча железа по себестоимости в десятки раз ниже, нежели другие типы металлов периодической системы. | Мельчайшие неточности в многоэтапном процессе изготовления стали оборачиваются фатальными провалами в качестве итоговой продукции. |
Благодаря простоте сгибания, нарезания и сварки, стальные конструкции, часто используемые не только в промышленных масштабах, но и в домашнем хозяйстве. В зависимости от способа производства, свойства сплава могут варьироваться очень сильно. И удельной теплоемкости это касается, в том числе.
| Параметр | Компоненты + описание |
|---|---|
| По химическому составу | Углеродистые . Легирующим элементом выступает углерод. В зависимости от его доли в сплаве, идет подразделение на малоуглеродистые (менее 0.3%), среднеуглеродистые (от 0.3% до 0.8%) и высокоуглеродистые (более 0.7%). |
| Легированные . Здесь также 3 подгруппы в зависимости от долевого вхождения примесей – меньше 2.5%, от 2.5% до 10%, и более 10%. Низко-, средне-, и высоколегированные соответственно. Добавками могут быть как металлы, так и неметаллические вещества. Самая популярная из легированных сталей – нержавейка. | |
| По структурному составу | Перлитная . Разновидности стали с низким содержанием углерода. |
| Мартенситные . В сплаве большое количество примесей. | |
| Аустенитная. Высоколегированная сталь. | |
| По раскислителю | Спокойная . В сплаве не содержится закись железа, что делает металл однородным и стабильным. Используется не часто из-за дороговизны производства. |
| Полуспокойная . Твердеет без кипения, но сопутствующие газы выделяются + часть из них остается в сплаве и после отвердевания. Сталь используется в конструкционных целях. | |
| Кипящая . С содержанием газов в остывшем материале. Из-за этого слабо пригоден к сварке. По технологии изготовления – это самый дешевый вариант, потому используется для большинства простых конструкций. | |
| По назначению | Строительная . Обычные и низколегированные разновидности стали с хорошими показателями свариваемости. Используются в конструкциях с высокими статическими нагрузками. |
| Инструментальная. Относят стали с высоким содержанием углерода и сторонних примесей (более 20%). В категории имеется классификация на штампованные, измерительные и режущие. | |
| Конструкционные . Сплавы имеют незначительное содержание марганца. Основная область применения – узловые элементы конструкций. Из-за необходимости разнообразия в свойствах, в категории популярные среднелегированные стали. | |
| Специальные . По сути, это специфические разновидности конструкционных сталей. Специализированное назначение – устойчивость к жару, кислоте и другим агрессивным средам. | |
| По примесям | Рядовые . Содержание серы и фосфора не более 7 сотых процента. |
| Качественные . Долевое содержание серы меньше 0.04% и фосфора меньше 0.35%. По изготовлению обходятся дороже, но в отношении механических свойств – куда лучше. | |
| Высококачественные . Долевое содержание серы и фосфора менее 0.025%. Технология изготовления – электрические печи, где требуется низкое вкрапление неметаллических примесей. | |
| Особовысококачественные . Элита среди стали. Процентное содержание серы менее 0.015%, а фосфора менее 0.025%. |
Вдаваться в тонкости производства не будем, но вы должны понимать, что удельная теплоемкость марки стали напрямую зависит от методов ее производства. В 2020 году выделяют 4 метода изготовления стальных сплавов – мартеновский, кислотно-конвертерный, электроплавильный и прямой. По своей сути, производство стальных сплавов – это переработка чугуна с отжиганием излишних примесей и введением легирующих компонентов. И чем дороже сырье/технология, тем лучше результат.
Теплоемкость строительных материалов
Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.
А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.
Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.
Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.
Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.
Механические особенности
Предел прочности
Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.
Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.
- При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
- Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
- Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.
Пластичность
Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.
- В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
- В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.
Упругость
Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.
Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.
Ударная вязкость
Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:
- когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
- когда содержание феррита увеличивается;
- когда уменьшается содержание графита.
Предел выносливости
Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.
Особенности
Наряду с великим разнообразием известных металлов рассматриваемый элемент имеет относительно небольшую тепловую емкость при средней степени подогрева. Величина в отношении стали соответствует 440 – 550 Дж/(кг · град), чугуна – 370 – 550 Джоулей/(кг · градус), никеля – 440 Дж/(кг · град).
Отдельное внимание стоит уделить тому, что показатели тяжелых металлических компонентов не имеют высокого значения. А потому знаменитые физики выявили следующую зависимость: чем выше плотность, тем меньше коэффициент теплоты.
Электротермический способ
Этот метод обладает рядом преимуществ перед мартеновским и конверторным. Электромеханический способ позволяет менять химический состав полученной стали. При этом смесь после процесса переработки получается очень высокого качества. Из-за ограниченного доступа воздуха в электропечи понижается количество монооксида железа. Он, как известно, своими примесями загрязняет сталь. А это, в свою очередь, оказывает существенное влияние на ее качество. В электропечи температура не опускается ниже 2000 °C. Таким образом, такие вредные примеси, как сера и фосфор, полностью удаляются из состава чугуна.
Приведены значения удельной теплоёмкости при постоянном давлении ( Cp ).
| Вещество | Агрегатное состояние | Удельная теплоёмкость, кДж/(кг·K) |
|---|---|---|
| Водород | газ | 14,304 [3] |
| Аммиак | газ | 4,359—5,475 |
| Гелий | газ | 5,193 [3] |
| Вода (300 К, 27 °C) | жидкость | 4,1806 [4] |
| Сусло пивное | жидкость | 3,927 |
| Литий | твёрдое тело | 3,582 [3] |
| Этанол | жидкость | 2,438 [5] |
| Лёд (273 К, 0 °C) | твёрдое тело | 2,11 [6] |
| Водяной пар (373 К, 100 °C) | газ | 2,0784 [4] |
| Нефтяные масла | жидкость | 1,670—2,010 |
| Бериллий | твёрдое тело | 1,825 [3] |
| Азот | газ | 1,040 [3] |
| Воздух (100 % влажность) | газ | 1,030 |
| Воздух (сухой, 300 К, 27 °C) | газ | 1,007 [7] |
| Кислород (O2) | газ | 0,918 [3] |
| Алюминий | твёрдое тело | 0,897 [3] |
| Графит | твёрдое тело | 0,709 [3] |
| Стекло кварцевое | твёрдое тело | 0,703 |
| Чугун | твёрдое тело | 0,540 |
| Алмаз | твёрдое тело | 0,502 |
| Сталь | твёрдое тело | 0,462 |
| Железо | твёрдое тело | 0,449 [3] |
| Медь | твёрдое тело | 0,385 [3] |
| Латунь | твёрдое тело | 0,370 |
| Молибден | твёрдое тело | 0,251 [3] |
| Олово (белое) | твёрдое тело | 0,227 [3] |
| Ртуть | жидкость | 0,140 [3] |
| Вольфрам | твёрдое тело | 0,132 [3] |
| Свинец | твёрдое тело | 0,130 [3] |
| Золото | твёрдое тело | 0,129 [3] |
| Значения приведены для стандартных условий ( T = +25 °C , P = 100 кПа ), если это не оговорено особо. | ||
| Вещество | Удельная теплоёмкость кДж/(кг·K) |
|---|---|
| Древесина | 1,700 |
| Гипс | 1,090 |
| Асфальт | 0,920 |
| Талькохлорит | 0,980 |
| Бетон | 0,880 |
| Мрамор, слюда | 0,880 |
| Стекло оконное | 0,840 |
| Кирпич керамический красный | 0,840 — 0,880 [8] |
| Кирпич силикатный | 0,750 — 0,840 [8] |
| Песок | 0,835 |
| Почва | 0,800 |
| Гранит | 0,790 |
| Стекло кронглас | 0,670 |
| Стекло флинт | 0,503 |
| Сталь | 0,470 |
Теплоемкость строительных материалов
Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.
А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.
Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.
Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.
Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.
Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость: таблица теплопроводности материалов
керамических материалов при их испытании на дефор* мацию под постоянной нагрузкой при повышающейся температуре. На рис. 2 кривая деформации различных по фазовому составу материалов имеет различный вид.
Как указывалось, на прочностные свойства керамики влияют ее структура и пористость. С повышением пористости все ее прочностные характеристики снижаются вследствие концентрации напряжений вокруг пор и уменьшения – контактной поверхности соприкосновения отдельных зерен (рис. 3). Керамика мелкозернистого строения, как правило, обладает большей прочностью, чем крупнозернистая, при одном и том же фазовом и химическом составе.
При оценке механических свойств керамики следует иметь в виду, что результаты измерений в значительной степени определяются методикой подготовки образца и проведения испытаний, в первую очередь степенью обработки его поверхности, скоростью нагружения и характером распределения нагрузки.
§ 3. Теплофизические свойства
К теплофизическим свойствам керамики относятся ее теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, лучеиспускание. Теплоемкость керамического материала кристаллической структуры подчиняется закону Дюлонга и Пти, по которому она приблизительно равна 24,7 Дж/(г-атом-К). Теплоемкость весьма сильно меняется при низких температурах и незначительно при высоких, особенно после 1000°С. Теплоемкость есть свойство самого вещества, она не зависит от структурных особенностей конкретного изделия, его пористости и плотности, размеров кристаллов и других факторов, поэтому теплоемкость единицы структурно различных, но одноименных по составу материалов одинакова.
Теплопроводность характеризует скорость переноса теплоты керамическим материалом. Она очень различна и зависит от состава кристаллической и стекловидной фаз, а также от пористости. Теплопроводность материала принято характеризовать уравнением теплового потока
где Q — количество теплоты, Вт; б — толщина стенки, см; F — площадь прохождения теплового потока, см2″, т — время; 11, f2— температура, °С, соответственно на горячей и холодной поверхностях.
Теория теплопроводности основана на представлении о переносе теплоты в твердых неметаллических телах тепловыми упругими волнами—фононами. Теплопроводность вещества зависит от длины свободного пробега фононов и степени нарушения гармоничности колебаний тепловых волн во время их прохождения через данное вещество. В связи с этим степень теплопроводности определяют структура вещества, число и вид атомов и ионов, рассеивающих волновые колебания. Кристаллы с более сложным строением решетки, как правило, имеют более низкую теплопроводность, так как степень рассеивания тепловых упругих волн в такой решетке больше, чем в простой. Снижение теплопроводности наблюдается также при образовании твердых растворов, так как при этом возникают дополнительные центры рассеивания тепловых упругих волн. В стеклах, характеризующихся разупорядоченным строением, длина пробега фононов не превышает межатомных расстояний, и теплопроводность стекла соответственно меньше, чем теплопроводность керамического материала, содержащего, как правило, значительное количество кристаллических фаз.
Особенно важно учитывать при применении керамики изменение теплопроводности во время ее нагрева. Общая закономерность здесь такая: теплопроводность спеченной керамики кристаллического строения, особенно оксидной, с повышением температуры, как правило, сильно падает. Исключение составляет диоксид циркония, теплопроводность которого с повышением температуры возрастает. Теплопроводность стекла, а также керамики, содержащей значительное Количество стекла, например муллитокремнеземистой, с повышением температуры увеличивается. На рис. 4 показано изменение теплопроводности некоторых видов керамики в зависимости от температуры. Теплопроводность пористой теплоизоляционной керамики, изготовляемой из чистых оксидов,— основное свойство, по которому определяют область ее применения. Теплопроводность тесно связана с пористостью.
Термическое расширение керамики — следствие уве.-’ лличения амплитуды колебаний ее атомов или ионов относительно их среднего положения, происходящих под влиянием температуры. Поэтому температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР керамики (далее употребляется «коэффициент линейного расширения») непостоянен при любой температуре. Для подавляюще-
Рис. 5. Линейное расширение некоторых видов технической керамики (Zr02 в зависимости от степени его стабилизации)
Ш 800 1200 К00 2000 Температура, ‘С
§ 0 400 800 1200 IfiOO 200П. Тенпературп’С
Рис. 4. Теплопроводность некоторых видов керамики
1 — ВеО плотноспекшийся; 2 — SiC; 3 — MgO плотноспекшийся; 4 — AlaOj, корунд; В — ZrO? стабилизированный плотноспекшийся
го большинства керамических материалов он повышается с температурой (рис. 5). Различают истинный коэффициент линейного расширения и средний, т. е. отнесенный к определенному интервалу температур:
Обычно измеряется не объемный, а линейный коэффициент, практически составляющий 1/з объемного. Это отношение справедливо для изотропных поликристаллических материалов, в том числе и керамических.
Термическое расширение большинства монокристаллов, как известно, анизотропно. В кристаллах с кубической решеткой расширение происходит равномерно по всем направлениям, как, например, у MgO. Однако среди керамических материалов есть такие, у которых анизотропия термического расширения выражена очень сильно. В частности, у широко распространенных корунда а-А1203 и муллита 3Al203-2Si02 также наблюдается анизотропия. Асимметрия строения кристаллической ре-
°cp = i/1 — LtJLtt Cs — Mils-некоторых случаях для наглядности коэффициент линейного расширения удобно выразить в процентах (%):
Таблица 2. Средние значения коэффициента линейного расширения
