Тепловые свойства металлов материаловедение

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

  1. физические,
  2. химические,
  3. механические,
  4. технологические.

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться.

Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении.

Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк — серый, олово — блестяще-белый и т. д.

Удельный вес—это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см3.

Плавление — способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).

Тепловое расширение — свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения.

Коэффициент линейного расширения — отношение приращения длины образца металла при нагревании на к первоначальной длине образца.

Коэффициент объемного расширения — отношение приращения объема металла при нагревании на к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения.

Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012, меди — 0,000017, алюминия— 0,000023. Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

  1. определим, насколько удлинится стальной трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С:

5000·0,000012·20 = 1,2 м

  1. определим, насколько удлинится медный трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С:

5000·0,000017·20= 1,7 м

  1. определим, насколько удлинится алюминиевый трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С:

5000·0,000023·20=2,3 м

(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.

Теплопроводность —способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании.

При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа.

При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Теплоемкость — количество тепла, потребное для нагревания единицы веса на .

Удельная теплоемкость — количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на . Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец.

Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

Электропроводность — способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.

  • Магнитные свойства — способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.
  • Химические свойства металлов и сплавов.
  • Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:
  1. стойкость против коррозии на воздухе,
  2. кислотостойкость,
  3. щелочестойкость,
  4. жаростойкость.

Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.

Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.

Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.

Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.

Старение металлов — изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре.

Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали.

К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению — азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

Тепловые свойства металлов материаловедение

Рис. 1

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

  1. прочность,
  2. твердость,
  3. упругость,
  4. пластичность,
  5. ударная вязкость,
  6. ползучесть,
  7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими (рис. 1).

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.

Тепловые свойства металлов материаловедение

Рис. 2

В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

  1. вдавливание в материал стального шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм — испытание твердости по Бринелю (рис. 2,а);
  2. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса — испытание твердости по Роквеллу (рис. 2,б)
  3. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды — испытание по Виккерсу (рис. 2,в).

Тепловые свойства металлов материаловедение

Рис. 3

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки (рис. 3).

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

  1. где Δl = l1-l0 — абсолютное удлинение образца при разрыве;
  2. δ— относительное удлинение;
  3.  l1—длина образца в момент разрыва;
  4. l0—первоначальная длина образца;
  5. где Ψ—относительное сужение при разрыве;
  6. F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца;
  7. F — площадь образца после разрыва

Тепловые свойства металлов материаловедение

Рис 4

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α, в этом положении закрепляют защелкой.

Стрелку 2, укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3, расположенного у нулевого деления шкалы 4.

Маятник, освобожденный от защелки, падает, разрушает образец 5 и, (продолжая двигаться то инерции, поднимается на другую сторону станины, на некоторый угол β.

При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β— наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α—β характеризует работу излома образца.

  • Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А, которая затрачена грузом маятника на разрушение образца
  • А = Р (Н — h) кгс • м
  • где Н — высота подъема маятника до удара в м
  • h —высота подъема маятника после удара в м
  • Р — ударная сила.
  • Затем определяют ударную вязкость
  • где ан—ударная вязкость в кГс·м/см2
  • F — площадь поперечного сечения образца в см2.
  • Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
  • Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.
Читайте также:  Алюминиевые заклепки: описание и свойства, классификация и разновидности

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах.

Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150—65 100°С и при температуре кипения технического жидкого азота.

Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497—61 при температуре 20±10°С.

Испытания при повышенных температурах производят по ГОСТ 9651—61 при температуре до 1200°С.

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности — σв, предел текучести (физический)—σт, предел текучести условный (технический) —σо,2, истинное сопротивление разрыву— и относительное удлинение — δ.

Тепловые свойства металлов материаловедение

Рис. 5

Для усвоения указанных выше величин рассмотрим диаграмму, представленную на рис. 5. По вертикальной оси 0—Р отсчитываем приложенную нагрузку Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси абсолютное удлинение— Δl.

Рассмотрим участки диаграммы:

  1. начальный прямолинейный участок 0-Рпц, на котором сохраняется пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Рпц—нагрузка при пределе пропорциональности)
  2. точка резкого перегиба кривой Р’т называется нагрузкой при верхнем пределе текучести
  3. участок Р’т — Рт, параллельный горизонтальной оси 0—Δl (площадка текучести), в пределах которого удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Рт, носящей название нагрузки при пределе текучести
  4. точка Рв, отмечающая наибольшую растягивающую силу — нагрузку при пределе прочности
  5. точка Рк —сила в момент разрушения образца.
  1. Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σв— напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:
  2. где F0 — площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм2
  3. — наибольшая растягивающая сила в кгс.
  4. Предел текучести (физический) σт—наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),
  5. Предел текучести условный (технический) σо,2 — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%:
  6. Предел пропорциональности σпц— условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:
  7. Истинное сопротивление разрыву —напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F):
  8. Технологические свойства металлов и сплавов.
  9. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:
  • обрабатываемость резанием,
  • ковкость,
  • жидкотекучесть,
  • усадка,
  • свариваемость,
  • прокаливаемость и т.д.

Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.

Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.

Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.

Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.

Основные тепловые свойства

Температура — это величина или характеристика системы, характеризующая состояние ее термодинамического равновесия. Различают температуры плавления, кипения, деструкции, воспламенения, стеклования, текучести и т.д.

Теплота — это энергия теплового движения частиц, образующих соответствующую материальную систему.

Теплоемкость — это способность вещества поглощать теплоту при нагреве.

Например, удельная теплоемкость (количество энергии, поглощаемой единицей массы вещества на один градус) у металлических сплавов находится в интервале 100—2000 Дж / (кг • К) или в большинстве случаев в интервале 300—400, а у полимерных материалов обычно 1000 и более. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры.

  • Теплопроводность (X) — это способность вещества или материала к переносу тепловой энергии вследствие разности температур в разных точках тела, его поверхности или объема при макроскопической неподвижности элементов их структуры (Вт/(м К).
  • Тепловое расширение — это изменение объема или линейных размеров материального тела при повышении температуры при постоянном давлении.
  • При нагреве плотность материала уменьшается из-за его теплового расширения элементов, его составляющих.

Тепловое расширение — это изменение объема и линейных размеров материального тела при повышении температуры при постоянном давлении. Тепловое расширение основано на эффекте увеличения амплитуды колебаний химических элементов при повышении температуры, приводящего к увеличению расстояния между ними. Для их оценки используют коэффициенты термического расширения (КТР) материалов.

На практике используют средние значения коэффициентов линейного (ос,) и объемного термического расширения (ау):

где Vи I — объем и длина образца соответственно; ДР, А/, — изменения объема и длины при повышении температуры на АТ. Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражаются на величине значений КТР, которые существенно различаются в направлении преимущественной ориентации, например макромолекул, и в поперечном направлении.

Тепловое расширение полимеров уменьшается при увеличении межмолекулярного взаимодействия, благодаря взаимодействию диполей, наличию водородных и тем более сшивке химическими связями отдельных макромолекул. Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные полимеры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы.

Тепловое расширение стекол по мере повышения содержания щелочных оксидов Ме20 возрастает от а = 0,56 • 10-6 К-1 у кварцевого стекла до а > 6 • 10_6 К-1 у промышленных щелочных стекол.

Сильное различие значений КТР соединяемых материалов является причиной появления термических напряжений. Поэтому необходимо согласование значений ос при соединении стекол или керамики с металлами.

У большинства материалов при повышении температуры КТР увеличиваются.

Наиболее стойки к термической усталости и разрушению при термических ударах материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью.

Коэффициент линейного термического расширения (а) по сравнению с плотностью максимален (см. табл. 8.4) уже не у металлов, а у преимущественно ковалентных органических полимерных материалов, построенных из индивидуальных макромолекул (типа полиэтилена и т.д.).

Теплопроводность материала зависит прежде всего от состава и типа химической связи между элементами микроструктуры и далее — от его мезо- и макроструктуры и температуры.

Считается, что теплота в твердых телах переносится электронами и фононами (квазичастица — квант упругих колебаний среды или «тепловой резервуар»). Природа передачи теплоты в первую очередь определяется типом химической связи элементов в материале.

В металлах теплоту вследствие делокализации ОЭ и их подвижности («электронный газ») переносят непосредственно электроны, поэтому она достаточно высока; в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы.

Влияние состава и типа химической связи на теплопроводность также достаточно наглядно (табл. 8.4). У металлов (5-, ^-элементов, связанных преимущественно металлическими связями) X в целом по величине наибольшая, а у линейных полимеров (типа полиэтилена) наименьшая.

В целом полимерные материалы плохо проводят тепло, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(м-К). У алмаза же (монокристалл объемносетчатого трехмерного макромолекулярного тела) теплопроводность максимальна.

Неорганические стекла имеют низкую теплопроводность, так как по своей природе они (например, на основе оксида кремния, табл. 7.4) вследствие преобладания ковалентной связи родственны органическим полимерам.

Например, кварцевое стекло в интервале температур от 0 до 100 °С имеет X = 1,90-^2,08, а у кварца (кристаллического оксида кремния) X равно 12,6, т.е. с повышением кристалличности (и уменьшением ковалентности связи) теплопроводность растет.

Графит имеет высокую теплопроводность (100 Вт/(м-К), так как в отличие от линейных одномерных полимеров имеет плоскосетчатую 2-мерную макромолекулярную структуру, построенную из ароматических углеродных циклов, облегчающую передачу тепла вдоль этих слоев за счет подвижных делокализованных тс-электронов.

Теплопроводность и электропроводность кристаллических материалов выше, чем аморфных, так как структура первых более совершенна и, обладая строгой периодичностью и минимумом дефектов, облегчает передачу тепловой и электрической энергии.

Среди ковалентных монокристаллов самым теплопроводным (1350 Вт/(м К) является монокристалл алмаза (см. табл. 8.4), так как благодаря высокой локализации ОЭ и направленности химической связи в нем передача тепловой (но не электрической) энергии облегчена.

Читайте также:  Кругляк металл что это такое

Чем совершеннее кристаллы и меньше дефектов в кристаллической решетке, тем выше их теплопроводность. В свою очередь, монокристаллы обладают лучшей теплопроводностью, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты поликристалли- ческой структуры рассеивают фононы и увеличивают сопротивление передаче тепла.

В полупроводниках ввиду весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами.

Легирование металла вносит искажение в его кристаллическую решетку и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом.

Чем больше примесей содержит металл и сплав на его основе, тем больше искажена кристаллическая решетка и мельче зерна (а следовательно, и больше их поверхность) и тем меньше его теплопроводность.

А далее на основе твердых растворов следующие структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (перлит и т.д.), дополнительно снижают теплопроводность. При нагреве сталей разных классов их теплопроводности сближаются.

При переходе от микро- к мезо- и макроструктурам размеры элементов структуры (фаз) материала растут с одновременным ростом поверхностей раздела, приводя на макроуровне (см. табл. 4.1) к образованию объемных дефектов (трещин, пор и т.д.). Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы плохо проводят тепло.

Теплопроводность пористых материалов независимо от типа химической связи элементов можно оценить по формуле

где X — теплопроводность сплошного материала без пор, Вт/(м • К); р — доля пор в объеме пористого материала.

При нагреве вещества или материала до критических температур происходят качественные изменения структуры и свойств веществ и материалов, включая изменение агрегатного состояния (переход из конденсированной фазы в газообразную) вплоть до разрушения и превращения в другие химические вещества.

Самый простой вариант — это переход жидкого низкомолекулярного вещества (типа Н20) в газообразное состояние (или пара над поверхностью жидкости) без изменения его химической структуры, который называется испарением. Этот процесс протекает при температуре кипения (7″кип), т.е. температуре равновесного перехода жидкости в пар при постоянном давлении.

Твердые конденсированные вещества при нагреве либо плавятся, либо возгоняются в газообразное состояние без стадии плавления. Испарение твердой фазы называется сублимацией или возгонкой.

Температура плавления — это температура равновесного фазового перехода вещества из твердого в жидкое состояние при постоянном давлении.

Для кристаллического вещества эта температура при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) называется точкой плавления, а температура обратного перехода вещества из жидкого в твердое кристаллическое состояние — температурой затвердевания.

Для аморфных или стеклообразных веществ (типа органических или неорганических полимеров и стекол) переход из твердого в жидкое состояние происходит не в одной точке (при соответствующей температуре), а в соответствующем интервале температур АТ. При этом самая низкая температура в этом интервале называется температурой размягчения Тр.

У полимеров с малой гибкостью цепей макромолекул эта температура свидетельствует о непосредственном его переходе из стеклообразного в вязкотекучее состояние. Температура стеклования — это средняя температура, при которой некристалли- зующееся (или не успевающее закристаллизоваться) вещество становится твердым, переходя в стеклообразное состояние.

Для полимерных материалов на основе макромолекул разной структурной сложности при повышении температуры можно обнаружить высокоэластическое и вязкотекучее состояния. Поэтому в отличие от низкомолекулярных веществ у ВМС температуры текучести и стеклования не совпадают.

Высокоэластическое состояние наступает у линейных аморфных полимеров при температурах выше температуры стеклования и характеризуется большими обратимыми деформациями, связанными прежде всего с развертыванием клубков макромолекул.

Вязкотекучее состояние характеризуется истинным течением полимера, когда при повышении температуры выше температуры текучести настолько повышается подвижность отдельных макромолекул и облегчается возможность преодоления относительно слабых межмолекулярных сил, что они получают возможность перемещаться относительно друг друга. Эти два состояния более подробно рассмотрены в п. 8.5.

Высокомолекулярные соединения и полимеры на их основе не способны существовать в газообразном состоянии, реактопласты как предельно сшитые макромолекулярные структуры не способны переходить обратно из твердого в жидкое (расплав) состояние после их отверждения. Поэтому последние полимеры при высоких критических температурах подвергаются разложению или деструкции с образованием низкомолекулярных продуктов.

Температура деструкции — это температура, при которой структура вещества или полимерного материала начинает разлагаться на исходные мономеры или продукты их взаимодействия с окружающей газовой средой.

При этом термопластичные полимеры (типа полиэтилена) в начале нагрева плавятся и размягчаются и лишь потом деструктируют, а термореактивные (типа отвержденных или сшитых эпоксидных, фенолоформальдегидных и других смол) деструктируют, минуя стадию плавления.

Температура воспламенения — это минимальная температура окружающей среды, при которой возможно воспламенение веществ при внесении источника пламени.

Температура возгорания — это минимальная температура окружающей среды, при которой происходит самовозгорание вещества и материала.

ПОИСК

Равновесные методы. Равновесные методы заключаются в измерении температурной зависимости какого-либо физического свойства металла, находящегося в тепловом равновесии в области высоких температур, и определении равновесного вклада вакансий в значение физического свойства.

Как отмечалось выше, равновесная концентрация вакансий экспоненциально растет с температурой, что при достаточно высоких температурах может привести к заметному изменению некоторых физических свойств.
[c.57]
Применение методов измерения тепловых свойств для исследования металлов и сплавов
[c.

286]

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
[c.64]

Представления о свойствах идеального метода термометрии, предназначенного для измерений в сложных экспериментальных условиях микротехнологии, можно сформулировать следующим образом а) отсутствует необходимость в тепловом равновесии чувствительного элемента (датчика) с объектом, т. е.

не нужен тепловой контакт датчика с поверхностью б) отсутствует гальваническая связь датчика с регистрирующим прибором, что устраняет электромагнитные помехи при измерениях в) результат измерения не зависит от наличия или отсутствия фонового излучения любой интенсивности в реакторе и от состояния оптических окон г) температурная чувствительность не ниже, чем у традиционных методов д) величина измеряемого сигнала достаточна для надежной регистрации и не изменяется существенно в широком диапазоне температур е) высокое быстродействие позволяет проводить измерения нестационарных температур поверхности в импульсных разрядах ж) возможны как локальные измерения, так и термография поверхностей з) возможна термометрия любых материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков) независимо от состояния поверхности (шероховатость, тонкие пленки и т.д.) и) возможно применение как для единичных, так и для рутинных измерений к) метод может применяться для термометрии как неподвижных, так и движущихся объектов в плазме.
[c.16]

Тепловые свойства [1] металлов и методы их измерения
[c.229]

В настоящее время мы располагаем пятью методами комплексного характера [1—6]. Для систематических исследований свойств тугоплавких металлов применялись в основном два из этих методов. Сведения об этих методах опубликованы, поэтому здесь мы дадим лишь их краткую характеристику.

Для изучения комплекса тепловых свойств более или менее массивных металлических образцов в последнее время был разработан и использован метод, основанный на переменном модулируемом нагреве токами высокой частоты.

Исследуемый образец — цилиндр диаметром 1 и длиной 5—10 см — помещается внутри индуктора высокочастотной печи, мощность которой периодически изменяется электронной модулирующей схемой. Колебания температуры поверхности образца регистрируются бесконтактным фотоэлектрическим методом.

Температуропроводность определяется по сдвигу фаз между колебаниями температуры и изменениями мощности. Для определения теплоемкости и теплопроводности необходимо знать мощность, вводимую в образец. С этой целью проводится определение напряженности магнитного поля у поверхности образца путем измерения э.д.с.

индукции, возникающей в измерительном витке, охватывающем образец в диапазоне температур от 1000 до 2500° К. Погрешность определения температуропроводности и теплоемкости составляет примерно 4 и 5% соответственно (сумма систематической и результирующей случайной ошибки).

В последнее время разработан и изучен иной вариант той же методики, отличающийся использованием полых цилиндрических образцов и регистрацией колебаний температуры на внутренней поверхности образца. Этот вариант обладает большей чувствительностью и за счет этого позволит снизить погрешность измерений на 1—2% в сравнении с названными цифрами.
[c.52]

Читайте также:  Требования к ревизии запорной арматуры

Тепловые свойства. Разница между теплотами образования сплавов и металлов, из которых они построены, была обнаружена в целом ряде случаев. Для этого обычно пользуются тремя методами 1) сравнительным измерением теплоты, выделяющейся при растворении сплавов и металлов в кислотах 2) прямым калориметрическим измерением теплоты реакции
[c.52]

Одной из основных задач современной теплофизики является разработка новых совершенных методов высокотемпературных исследований физических свойств, в частности тепло- и электропроводности [металлов и сплавов.

Существующим высокотемпературным исследованиям характерны определенные недостатки, которые значительно усложняют постановку эксперимента.

Основные трудности подобных работ связаны с измерением истинной температуры и величины тепловых потоков.
[c.135]

Настоящая книга, по мнению авторов, впервые в отечественной практике предлагает обоснованное описание температурной зависимости удельного электрического сопротивления восьми переходных металлов практически во всей области температур их твердой фазы.

Использованный метод обработки результатов индивидуальных измерений был нацелен на получение информации о свойствах предельно чистых металлов.

Только опираясь на такие сведения, можно уточнять модельные представления о проводимости и вскрывать природу изменений сопротивления под влиянием теплового возбуждения или слабого легирования.
[c.84]

Как показано в предыдущей главе, потери в металлах имеют в основном тепловой характер, причем теория Зенера объясняет большинство наблюдаемых результатов. Внутреннее трение в пластиках и диэлектриках, вообще говоря, значительно выше, так что значение модуля упругости изменяется с частотой очень быстро.

Эти явления будут обсуждены позже, в главе, где описаны другие методы измерения динамических упругих свойств, но здесь было бы полезным иметь оценку относительных значений величины внутреннего трения в различных материалах. В табл. 1 приведены значения, полученные Джемантом и Джексоном при частотах между 0,3 и 10 гц.

Самое низкое значение внутреннего трения отмечено в пьезоэлектрических кварцевых резонаторах. Ван Дейк [147] даёт значение
[c.124]

Данные о качественных, а иногда и количественных соотноще-ниях между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов можно получить, применяя различные методы металловедческого исследования.

К их числу относятся исследование макро- и микроструктуры, рентгено- и электронографический анализы и исследования физико-механических и химических свойств (механические испытания, термический, дилатометрический, магнитный анализы, измерение электросопротивления, тепловых свойств, внутреннего трения, метод меченых атомов, химический анализ, карбидный и ин> терметаллидный анализы и др.).
[c.92]

Смотреть страницы где упоминается термин Тепловые свойства металлов и методы их измерения
:

[c.589]   
[c.220]   
[c.8]   

Смотреть главы в:

Металловедение и термическая обработка стали Том 1, 2 Издание 2
 -> Тепловые свойства металлов и методы их измерения

  • Измерение методы
  • Металлов Свойства
  • Пар Тепловые свойства
  • Тепловые методы

© 2021 Mash-xxl.info Реклама на сайте

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле.

Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия.

Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг?К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен.

При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов.

В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами.

Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление.

Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава.

Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал.

По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Станок