Плотность железа fe, удельная теплоемкость, теплопроводность и другие его свойства

Формула удельной теплоты плавления

Удельная теплота плавления находится по формуле:

где Q — это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело массой m.

Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при отвердевании данного тела.

Для примера, удельная теплота плавления воды в твердом состоянии, то есть, удельная теплота плавления льда равна 3,4*105 Дж/кг. Эти данные позволяют рассчитать, сколько потребуется энергии, чтобы расплавить лед любой массы. Зная также удельную теплоемкость льда и воды, можно рассчитать, сколько точно потребуется энергии для конкретного процесса, например, расплавить лед массой 2 кг и температурой — 30˚С и довести получившуюся воду до кипения. Такие сведения для различных веществ очень нужны в промышленности для расчета реальных затрат энергии при производстве каких-либо товаров.

При плавлении происходит разрушение пространственной решетки кристаллического тела. На этот процесс расходуется определенное количество энергии от какого-нибудь внешнего источника. В результате внутренняя энергия тела в процессе плавления увеличивается.

Количество теплоты, необходимое для перехода тела из твердого состояния в жидкое при температуре плавления, называется теплотой плавления.

В процессе отвердевания тела, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Тело отдает теплоту окружающим телам. Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, поглощенное телом при плавлении (при температуре плавления), равно количеству теплоты, отданному этим телом при отвердевании (при температуре отвердевания).

Физические характеристики

Масса

Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.

Кроме этого линейное расширение металла и структура чугуна меняется в зависимости от состояния каждого показателя. То есть это зависимые величины.

Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см3, у белого — 7,5±0,2 г/см3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см3.

О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:

Объем

Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.

Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.

О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.

Плотность

Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см3. Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.

Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

История

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию. В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область), однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке.

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол. C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли. В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные. В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки. Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году, а в Китае они были известны со времени династии Мин, которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи.

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов, а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона. Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Физические свойства металлов

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства — те что проявляется в покое, механические — только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции

Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции

Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

• критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
• критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Отечественные стали

Углеродистые:

• У8 (или У8А). Сталь с содержанием углерода около 0,8 %. Самая простая и распространенная в ножеделии, находит массовое применение в кустарном изготовлении ножей. Высокопрочная, хорошо принимает и держит заточку. Буква «А» в ее названии означает сталь высокого качества очистки.
• У10 (или У10А). Аналогичная предыдущей, но с содержанием углерода около 1 %. Прочность чуть ниже, но зато твердость и удержание режущей кромки лучше. Используется при изготовлении ножей для тяжелых работ, в т. ч. армейских и боевых.
• 65Г. Углеродистая пружинно-рессорная сталь. Содержание углерода около 0,65-0,7 %. В отличие от простых «углеродок», данная сталь легирована марганцем и содержит долю процента хрома, благодаря чему у нее отличная прочность, ударная вязкость и упругость, а также большой диапазон показателей рабочей твердости. Ножи из такой стали хорошо держат заточку и являются весьма прочными. Ржавеет она не так активно, как стали марки «У».
• ШХ15. Шарикоподшипниковая сталь. Легирована марганцем и небольшим количеством хрома (1,5 %). Содержание углерода — около 1 %. Является одной из самых сбалансированных углеродистых сталей: легко точится, сохраняет высокую прочность при высокой твердости, хорошую износостойкость и способна держать режущую кромку на малых углах.
• ХВ5 («Алмазная» сталь). Содержит около 1,35 % углерода и довольно много вольфрама (около 5 %). Достаточно прочная, но при этом с плохой ударной вязкостью сталь, способная сломаться при динамических нагрузках. Отличается колоссальной твердостью (до 68 ед. HRc) и износоустойчивостью. Создана только для долгого и агрессивного реза, без поперечных и ударных нагрузок. Довольно интенсивно ржавеет.
• Р6М5 («быстрорез»). Сталь, применяемая для изготовления пил по металлу. Содержит около 0,8 % углерода, 4 % хрома, немного ванадия и большое количество вольфрама (около 6 %). Также легируется молибденом. Довольно интересная сталь, обладающая огромной жаропрочностью, стойкостью удержания режущей кромки и износостойкостью.
• 9ХС. Инструментальная легированная сталь. Содержание углерода — 1 %. Содержание хрома — 1,2 %. Дополнительно сталь легируется кремнием и марганцем. В небольших количествах содержатся никель, ванадий и даже вольфрам (до 0,25 %). Благодаря удачной совокупности элементов сталь обладает выдающимися характеристиками по удержанию заточки, износостойкости и прочности.
• Х12МФ. Инструментальная легированная сталь. Ее часто называют «полунержавеющей». Является одной из лучших сталей для изготовления ножей. Содержит 12 % хрома и 1,5 % углерода. Имеет довольно богатый состав легирующих элементов — молибден, ванадий, марганец, никель и фосфор. Обладает отличной прочностью, износостойкостью, великолепно держит заточку и ударную вязкость на приемлемом уровне. Один из лучших выборов по соотношению цены-качества.

Нержавеющие:

• 40Х13. Легированная сталь нижнего ценового уровня. Содержит 0,4 % углерода и 13 % хрома, как следует из ее названия. Нож из нержавеющей стали такого класса действительно почти никогда не будет ржаветь, но удержание режущей кромки у нее весьма посредственное.
• 65Х13. Из недорогих сортов эта сталь — очень неплохой выбор. Содержит 0,65 % углерода и все те же 13 % хрома. Из-за такой балансировки состава чуть более подвержена коррозии, чем предыдущая. Зато она гораздо лучше держит заточку и в целом является очень неплохой сталью, особенно при хорошей закалке.
• 95Х18. Эта сталь, хоть все еще и относится к среднему уровню цены, по качеству уже существенно выше двух предыдущих. Количество углерода приближается к 1 %, а хрома в этом сплаве уже существенно больше — 18 %, что поднимает как коррозионную стойкость, так и общую прочность клинков.
• 110Х18 МШ-Д. Очень редкая, но особо ценимая среди мастеров сталь. Отличается высочайшим уровнем чистоты, благодаря методике электрошлаковой переплавки. Содержит до 1,1 % углерода и около 19 % хрома. Долгое время сохраняет заточку и показывает высокую прочность благодаря равномерной структуре.
• 40Х10С2М (ЭИ-107). Еще ее называют «клапанной» сталью. Несмотря на невысокое содержание угля (0,4 %), данная сталь является очень хорошим выбором. В ней немного хрома (около 10 %), однако дополнительно она легирована кремнием (около 2,5 %), марганцем и молибденом, что самым положительным образом сказывается на ее прочности и износостойкости.

Таблица удельных теплоемкостей

Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.

Задача

Какое твердое вещество массой 2 кг можно нагреть на 10 ˚C, сообщив ему количество теплоты, равное 7560 Дж?

Решение:

Используем формулу для нахождения удельной теплоемкости вещества:

c= Q/m(t_{конечная} — t_{начальная})

Подставим значения из условия задачи:

c= 7560/2*10 = 7560/20 = 378 Дж/кг*˚C

Смотрим в таблицу удельных теплоемкостей для металлов и находим нужное значение.

Ответ: латунь

Область применения

Существует много отраслей производства, где применяется вольфрам. Основная сфера применения — производство сплавов. Этот металл повышает твёрдость, прочность, упругость и улучшает способность растягиваться у различных видов стали.

Обычно его готовят в двух формах: ферровольфрам — сплав железа и вольфрама, он обычно содержит около 70−80% вольфрама. Ферровольфрам смешивается с другими металлами и сплавами (обычно со сталью) для производства специализированных соединений. И также он производится в порошкообразной форме. В дальнейшем его добавляют к другим металлам с целью получения новых соединений с улучшенными характеристиками .

Около 90% всех вольфрамовых сплавов используются в горнодобывающей промышленности, строительстве, а также электротехническом и металлообрабатывающем оборудовании. Эти сплавы используются для изготовления многих вещей: нагревательные элементы в печах (благодаря хорошей теплопроводности), деталей для самолётов и космических аппаратов; оборудования, используемого в телевизионной, радиолокационной и радиотехнике; высокопрочных свёрл; металлорежущих инструментов и аналогичного оборудования.

Небольшое количество вольфрама используется в лампах накаливания. Очень тонкий провод, который образует нить в лампах, сделан именно из него. Электрический ток проходит через эту нить и нагревает её, что заставляет её испускать свет. Он не плавится благодаря тому, что температура плавления вольфрама высока.

Также он используется, в таких приборах и элементах, как:

• электроды для сварки;
• противовесы;
• магниты;
• рентгеновские аппараты;
• обмотки и нагревательные элементы электроплит;
• катоды радиоламп и электронных приборов (торированный вольфрам);
• магнетроны в микроволновых печах;
• химические катализаторы.

Кроме того, он применяется при металлообработке и добыче полезных ископаемых, а также для производства пигментов для красок.

Объёмы производства

Чугун, отлитый в виде чушек Воспроизвести медиафайл

Выпуск чугуна из доменной печи

Мировое производство чугуна в 2020 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т). Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом:

За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.

Преимущества и недостатки

Среди сильных сторон этой марки:

• Обладает отличной свариваемостью при любой термической обработке.
• Допуски использования элементов позволяют получить большой разбег по механическим свойствам.
• Невысокая стоимость при широких вариациях применения.
• Возможность проведения закалки током высокой частоты (одна из самых эффективных и экономичных технологий).
• Не склонна к отпускной хрупкости.
• Не флокеночувствительна.

Недостаток, которым обладает марка стали Ст3, присущ всему классу углеродистых аналогов, — это склонность к коррозии. Даже обработка поверхности дает временные результаты. Среди прочих минусов:

• Как правило, структура стали имеет крупно- или среднезернистое строение. Также при проведении цементации и азотирования зерно склонно к быстрому росту, увеличению хрупкости.
• Нельзя использовать для открытого исполнения в северном климате.