Palitra21.ru

Домашний уют — журнал
8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Плотность и удельный вес металлов и их сплавов

Как известно, чтобы найти плотность вещества, его массу делят на объем. Плотность является физико-химической характеристикой вещества. Она постоянна. Материалы для промышленного производства должны соответствовать этому показателю. Для её обозначения принято использовать греческую букву ρ.

Плотность железа равна 7874 кг/м³, никеля — 8910 кг/м³, хрома — 7190 кг/м³, вольфрама — 19250 кг/м³. Конечно, это относится к твёрдым сплавам. В расплавленном состоянии веществам присущи другие характеристики.

В природе лишь некоторые металлы присутствуют в большом количестве. Удельный вес железа в земной коре 4,6%, алюминия — 8,9%, магния — 2,1%, титана — 0,63%. Металлы незаменимы в большинстве сфер человеческой деятельности. Их производство растёт год от года. Для удобства металлы разделены на группы.

Железо и его сплавы

Чёрными металлами принято называть стали и чугуны разных марок. Сплав железа и углерода считается сталью, если железа не менее 45%, а содержание углерода 0,1%—2,14%. Чугуны, соответственно, углерода содержат больше.

Для получения необходимых свойств сталям и сплавам их легируют (присаживают при переплаве легирующие добавки). Таким образом плавят заданные марки. Все марки металла строго соответствуют определённым техническим условиям. Свойства каждой марки регламентированы государственными стандартами.

В зависимости от состава плотность стали варьируется в диапазоне 7,6—8,8 (г/см³) в СГС или 7600—8800 (кг/м³) в СИ (это видно из таблицы 1). Конечно, сталь имеет сложную структуру, это не смесь различных веществ. Однако присутствие этих веществ и их соединений изменяют свойства, в частности, плотность. Поэтому самыми большими плотностями обладают быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама.

Цветные металлы и их сплавы

Изделия из бронзы, латуни, меди, алюминия широко применяются на производстве:

  • Обычно бронзы это сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и бериллием. Однако в бронзовом веке, когда удельный вес бронзы в общей массе металлических изделий составлял почти 100%, это были сплавы медь — мышьяк.
  • Сплавы на основе цинка — латуни. В латуни может присутствовать олово, но его количество меньше, чем цинка. Чтобы получить сыпучую стружку, иногда добавляют свинец. Кроме ювелирных сплавов латуни и бронзы, они нужны для деталей машин и морских судов, скобяных изделий, пружин. Некоторые сорта применяют в авиации и ракетостроении.
  • Дюралюминий (дюраль) — сплав алюминия с медью (меди 4,4%) — это высокопрочный сплав. Главным образом применяется в авиации.
  • Титан по прочности превосходит многие марки стали. Одновременно он вдвое легче. Эти качества сделали его незаменимым в большинстве отраслей промышленности. А также он широко применяется в медицине (протезировании). Удельный вес титана в производстве летательных аппаратов достигает 70% от всего выплавляемого в мире. Около 15% титана идёт для химического машиностроения.
  • Серебро и золото — первые металлы, с которыми познакомился человек. За всю историю существования человечества эти металлы, по большей части, шли на ювелирные изделия. И в настоящее время тенденция сохраняется.
  • Вольфрам из-за высокой тугоплавкости незаменим в приборостроении. Большая плотность позволяет применять его, как защиту от радиации.
  • Никель и хром образуют нихром — жаропрочный пластичный сплав, очень долговечный и надёжный.

Различные марки сталей и чугунов, бронз и других металлов имеют разный химический состав и разную плотность. Плотности всех востребованных материалов измерены и систематизированы. Таблицы, содержащие эти данные доступны пользователям. С их помощью можно легко найти массу изделия заданной формы.

Таблица удельного веса железа

Так как, железо является сложным материалом, рассчитать вес железа, а именно показатель удельного веса, в полевых условиях самостоятельно не представляется возможным. Эти вычисления проводят в специальных химических лабораториях. Однако, при этом средний удельный вес железа известен и составляет 7,874 г/см3.

Для упрощения подсчетов ниже представлена таблица с значениями удельного веса железа, а также его веса в зависимости от единиц исчисления.

Читать еще:  Выбор и монтаж металлической гофрированной трубы для отопления

История производства сплавов с изменением их плотности

Как инструментальный материал железо использовалось еще во времена Шумера и Древнего Египта. Археологические артефакты (украшения, кинжал) были изготовлены из метеоритного сплава, содержащего никель и железо.

Небесное происхождение рудного материала отражено в латинском и греческом языках, где его название обозначает «звездный» («сидер»).

Способ получения стали из черного шлиха описан Аристотелем.

В качестве сырья использовались пески, содержащие магнетит. Изготовленная сталь отличалась превосходными качествами благодаря содержанию в ней титана.
С развитием цивилизаций в мире увеличивались потребности в объеме сырья. Промышленные масштабы переработки руды требовали новых технологий выплавки.

Первым шагом металлургического производства было получение сырья путем восстановления его из окиси. В результате процесса выгорания руды в специально оборудованной печи оставался комок пористого металла, который подвергался обработке путем плавления.

В результате многократного сложения вдвое заготовки с последующей ковкой удалось получить отличную сталь, называемую дамасской.

Но в жидком состоянии химический элемент впервые был получен несколько веков назад. Этот факт обусловил возможность насыщать углеродом расплавленный материал с целью придавать ему новые свойства.

Путем непрерывных экспериментов, поисков новых технологий извлечения ценного компонента из руды, формировался новый состав материала, используемого в современном производстве металлопроката, предметов быта и техники.

В основу разработок было положено улучшение технических параметров материала, изменение его плотности и температуры плавления.

Удельный вес металлов

Все тела, имеющие одинаковый объем, но произведенные из различных веществ, имеют различную массу, которая находится в прямой зависимости от его объема. Отношение объема сплава к его массе — плотность — является постоянной величиной, которая будет характерной для данного вещества. А удельный вес — это сила тяжести непосредственно взятого за основу объема данного вещества. Другими словами, удельным весом металла называется вес единицы объема безусловного плотного (непористого) материала. Для обозначения удельного веса следует массу сухого материала поделить на его объем в полностью плотном состоянии.Все известные и применяемые в промышленности металлы обладают определенными физико-механическими свойствами, которые, собственно говоря, и определяют их удельный вес. Металлы обладают характерными свойствами, среди которых можно назвать высокую прочность, тепло- и электропроводность, пластичность.Химические свойства и удельный вес цветных металлов

Наименование цветного металлаХимическое обозначениеАтомный весТемпература плавления, °CУдельный вес, г/куб.см
Цинк (Zinc)Zn65,37419,57,13
Алюминий (Aluminium)Al26,98156592,69808
Свинец (Lead)Pb207,19327,411,337
Олово (Tin)Sn118,69231,97,29
Медь (Сopper)Cu63,5410838,93
Титан (Titanium)Ti47,9016684,505
Никель (Nickel)Ni58,7114558,91
Магний (Magnesium)Mg246501,74
Ванадий (Vanadium)V619006,11
Вольфрам (Wolframium)W184342219,3
Хром (Chromium)Cr51,99617657,19
Молибден (Molybdaenum)Mo92262210,22
Серебро (Argentum)Ag107,9100010,5
Тантал (Tantal)Ta180326916,65
Золото (Aurum)Au197109519,32
Платина (Platina)Pt194,8176021,45

Удельный вес наиболее распространенных марок стали

Наименование (тип стали)Марка или обозначениеУдельный вес (г/см3)
Сталь нержавеющая конструкционная криогенная12Х18Н10Т7,9
Сталь нержавеющая коррозионно-стойкая жаропрочная08Х18Н10Т7,9
Сталь конструкционная низколегированная09Г2С7,85
Сталь конструкционная углеродистая качественная10,20,30,407,85
Сталь конструкционная углеродистаяСт3сп, Ст3пс7,87
Сталь инструментальная штамповаяХ12МФ7,7
Сталь конструкционная рессорно-пружинная65Г7,85
Сталь инструментальная штамповая5ХНМ7,8
Сталь конструкционная легированная30ХГСА7,85

Удельный вес стали различных марок

Наименование (тип стали)Марка или обозначениеУдельный вес (г/см3)
никельхромовая стальЭИ 4188,51
хромомарганцовоникелевая стальХ13Н4Г9 (ЭИ100)8,5
хромистая сталь1Х13 (ЭЖ1)7,75
2Х13 (ЭЖ2)7,70
3Х13 (ЭЖ3)7,70
4Х14 (ЭЖ4)7,70
Х17 (ЭЖ17)7,70
Х18 (ЭИ229)7,75
Х25 (ЭИ181)7,55
Х27 (Ж27)7,55
Х28 (ЭЖ27)7,85
хромоникелевая сталь0Х18Н9 (ЭЯ0)7,85
1Х18Н9 (ЭЯ1)7,85
2Х18Н9 (ЭЯ2)7,85
Х17Н2 (ЭИ268)7,75
ЭИ3077,7
ЭИ3348,4
Х23Н18 (ЭИ417)7,9
хромокремнемолибденовая стальЭИ1077,62
хромоникельвольфрамовая стальЭИ698,0
хромоникельвольфрамовая с кремнием стальХ25Н20С2 (ЭИ283)8,0
хромоникелькремнистая стальЭИ727,7
прочая особая стальЭИ4017,9
ЭИ4188,51
ЭИ4348,13
ЭИ4358,51
ЭИ4378,20
ЭИ4157,85
Читать еще:  Кровельные материалы из тонколистовой стали с полимерными покрытиями

Удельный вес стали углеродистой и легированной

Наименование (тип стали)Марка или обозначениеУдельный вес (г/см3)
высокоуглеродистая сталь70 (ВС и ОВС)7,85
среднеуглеродистая сталь457,85
малоуглеродистая сталь10 и 10А; 20 и 20А7,85
малоуглеродистая электро-техническая (железо типа Армко) стальА и Э; ЭА; ЭАА7,8
хромистая сталь15ХА7,74
хромоалюминиевомолибденовая азотируемая сталь38ХМЮА7,65
хромомарганцовокремнистая сталь25ХГСА7,85
хромованадиевая сталь30ХГСА7,85
20ХН3А7,85
40ХФА7,80
50ХФА7,74

Определение удельного веса металла

Для начала следует определить, что же такое удельный вес. Так легче будет впоследствии разбираться во всех показателях, а также использовать полученные знания при обработке заготовок из, созданных из этого прочного материала.

Удельным весом называют отношение однородного тела из этого вещества к объёму данного материала. Из этого можно сразу выделить интересный момент, заключающийся в том, что по сути удельный вес металла является его плотностью.

Данная величина, то есть удельный вес металла, измеряется в кг/куб. м. Это единица измерения, чаще всего указываемая в различных технических справочниках. Иногда могут указываться и другие единицы измерения, но в отечественных источниках они встречаются гораздо реже.

Если же справочника, содержащего необходимые данные о том или ином металле, под рукой нет, то можно рассчитать удельный вес по известной формуле:

В данной формуле y обозначает удельный вес, который впоследствии придётся рассчитать, Р — это вес, а V — это объём. Использую эту формулу, можно уже при известных данных о весе и объёме выполнить расчёт.

Показатели удельного веса других металлов

Удельный вес – показатель, являющийся неотъемлемой характеристикой и других металлов.

На удельный вес серебра влияет проба сплава. При добавлении в него других металлов (медь, никель) удельный вес и плотность теряются. Так, плотность меди составляет 8,93 г/см3, никеля – 8,91 г/см3. Все значения рассчитываются по формулам.

Серебро – такой же благородный металл, как и золото. Его удельный вес составляет 10,5 г/см3. Плавится оно при температуре 960 градусов. Основными физическими характеристиками серебра являются:

  • устойчивость к коррозии;
  • низкая сопротивляемость;
  • повышенная светоотражаемость.

Несмотря на природную мягкость, серебро обладает высокой плотностью и удельным весом.

Титан – цветной металл бело-серебристого оттенка. Он обладает высокой прочностью, хоть и легкий на вес. Так, он в 12 раз прочнее алюминия и в 4 раза – меди и железа. По степени нахождения в земной коре титану отводится четвертое место среди остальных.

Низкий удельный вес титана – 4,505 г/см3 более соответствует щелочным металлам. На его поверхности образуется оксидная пленка, которая препятствует образованию коррозии.

Цинк – также цветной металл бело-синеватого оттенка. Обладает средней твердостью и начальной температурой плавления 419 градусов. Под воздействием температуры 913 градусов этот металл приобретает парообразное состояние. У цинка удельный вес составляет 7,13 г/см3.

Обычная температура делает цинк хрупким, но ее повышение до 100 градусов превращает металл в гибкий и пластичный. При взаимодействии с воздухом, на поверхности цинка образуется пленка из оксида.

Цвет свинца – грязно-серый, но это не влияет на природный блеск металла. Однако сияние довольно быстро прекращается за счет образования на поверхности свинца оксидной пленки. Свинцовый сплав обладает повышенным удельным весом – 11,337 г/см3. По этому показателю он превышает цинк, алюминий, железо и некоторые другие металлы. Несмотря на высокий показатель плотности, свинец – очень мягкий металл.

В таблице приведены значения удельного веса и температура плавления других металлов.

Наименование металлаТемпература плавления, °CУдельный вес, г/куб.см
Цинк419.57.13
Алюминий6592.69808
Свинец327.411.337
Олово231.97.29
Медь10838.96
Титан16684.505
Никель14558.91
Магний6501.74
Ванадий19006.11
Вольфрам342219.3
Хром17657.19
Молибден262210.22
Серебро100010.5
Тантал326916.65
Железо15357.85
Золото109519.32
Платина176021.45

Самые легкие и самые тяжелые алюминиевые сплавы

  • Одним из самых легких алюминиевым сплавом является зарубежный литейный сплав 518.0 (7,5-8,5 % магния) – 2,53 г на кубический сантиметр [1]. Отечественный сплав АМг11 (АЛ22) содержит еще больше магния – от 10,5 до 13,0 %. Поэтому, надо думать, он еще легче, но точных данных у нас нет!
  • Самыми тяжелыми алюминиевыми сплавами являются зарубежные литейные сплавы 222.0 и 238.0 с номинальным содержанием меди 10 %. Их номинальная плотность – 2,95 г на кубический сантиметр [1].
  • Самый легкий деформируемый сплав – алюминиево-литиевый сплав 8090 с номинальным содержанием лития 2,0 %. Его номинальная плотность – 2,55 г на кубический сантиметр [1].
  • Самые тяжелые деформируемые алюминиевые сплавы – сплав В95 и зарубежный сплав 7175: 2,85 г на кубический сантиметр [4].

Классификация стали

В зависимости от доли неметаллических примесей, определяемой методом выплавки данной марки, стальные сплавы разделяют на:

  • особо высококачественные;
  • высококачественные;
  • обыкновенного качества.

По химическому составу сплавы также разделяют на легированные и углеродистые.

Углеродистые стали

Используются преимущественно для производства сварных конструкций и содержит от 0,25 до 2,14 процента углерода. Внутри группы они далее разделяются на подгруппы, и также по процентной доле углерода:

  • высокоуглеродистые (0,6-2,14);
  • среднеуглеродистые (0,3-0,55);
  • низкоуглеродистые (ниже 0,25).

В качестве присадок в них также входят кремний и марганец.
Кроме полезных, вводимых целенаправленно присадок в сплаве могут содержаться и вредные примеси, отрицательно влияющие на ее физико- химические свойства:

  • фосфор снижает пластичность при нагреве и повышает хрупкость при охлаждении;
  • сера приводит к образованию микротрещин.

В состав сплава могут попадать и другие примеси.

Легированная сталь

Для обретения сплавом требуемых свойств при плавке в него добавляют полезные присадки, или легирующие элементы, чаще всего металлы, такие, как алюминий, молибден, хром, марганец, никель, ванадий и другие. Свойства сплава меняются при этом весьма существенно: сплав приобретает стойкость к коррозии, особую прочность, высокую ковкость, повышенную или пониженную электропроводность и т.д.
Сплав с такими добавками называют легированной сталью. По процентному содержанию легирующих присадок они делятся на три группы:

  • высоколегированные – свыше 11;
  • среднелегированные – от 4 до 11;
  • низколегированные – менее 4.

По области применения стальные сплавы делятся на:

  • инструментальные — высокопрочные сплавы применяются для изготовления инструментов, штампов, фрез, сверл и резцов;
  • конструкционные – применяются для производства корпусов и узлов транспортных средств, станков, строительных конструкций;
  • специальные. В эту группу включают сплавы с повышенной стойкостью к кислотной и щелочной среде, радиации, нержавеющие сплавы, электроматериалы и др.

Некоторые присадки и виды обработки повышают плотность материала, а другие – снижают, например:

Особенности применяемой таблицы

Для того чтобы рассчитать вес будущего изделия, которое будет получено из чугуна, следует знать его размеры и показатель плотности. Линейные размеры определяются для того, чтобы рассчитать объем. Применяется расчетный метод определения веса изделия в том случае, когда нет возможности провести его взвешивание.

Рассматривая методические таблицы, стоит уделить внимание таким моментам:

  1. Все металлы разделены на несколько групп.
  2. Для каждого материала указывается наименование, а также ГОСТ.
  3. В зависимости от температуры плавления указывается значение плотности.
  4. Для определения физического значения удельной плотности в килограммах или других изменениях проводится перевод единиц изменения. К примеру, если нужно перевести граммы в килограммы, то проводится умножение табличного значения на 1000.

Определение удельного веса зачастую делается в специальных лабораториях. Это значение редко используется при проведении реальных расчетов во время изготовления изделий или строительства сооружений.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector