Глава 4. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Свойство— это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Физические свойства Физические свойства – внутренние, присущие данному материалу или веществу особенности, обусловливающие их различие или общность с другими веществами или материалами и проявляющиеся как ответная реакция на воздействие внешних физических полей или сред. Физические свойства, определенные стандартными методами с указанием состава, строения и структур, представляют собой стандартные справочные данные веществ и материалов. Порядок разработки и аттестации стандартных справочных данных о физико-химических константах и свойствах веществ и материалов установлен в Правилах по межгосударственной стандартизации (ПМГ 28-99). Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учитывают при практическом использовании материалов, являются плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов выделили их в группы материалов исключительной ценности — ферро- и ферримагнетики. Физические свойства определяются типом межатомных и межмолекулярных связей, химическим составом материалов, температурой и давлением. Для большинства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой. При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Приближенно они характеризуются соответствующими температурными коэффициентами. Например, удельное электросопротивление r при нагреве на ΔТ определяется зависимостью: rТ = r0 (1 + b ΔТ), (4.1) где r0, rТ− удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур ΔТ; b − температурный коэффициент. Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью. Плотность− мера количества вещества (m) в единице объема (V) кг/м3 Плотность, определенная для однородных веществ, может рассматриваться как теоретическая. Плотностью, близкой к теоретической, обладают, как правило, металлы, жидкости, некоторые полимеры и др. Для неоднородных веществ используют понятие «объемная плотность». Объемная плотность − величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Объемную плотность ρср. вычисляют по формуле: ρср.= m/Ve , (4.3) где Ve − объем вещества в естественном состоянии. Для инженерных расчетов используются понятия «относительная плотность» и «насыпная плотность». Относительная плотность представляет собой отношение плотности вещества ρ к плотности эталонного вещества ρэт при определенных внешних условиях: ρот = ρ / ρэт.. (4.4) Плотность твердых и жидких материалов обычно сравнивают с плотностью воды при температуре 4°С (1000 кг/ м3). Насыпная плотность ρн — масса единицы объема свободно насыпанных дисперсных материалов (например, цемент, песок, минеральная вата и др.) Плотностьсущественно зависит от типа межатомной связи. Максимальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлическими или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределяет менее плотное расположение атомов. У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см3 − у осмия до 0,534 г/см3 − у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими − уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла. Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и других пористых материалов она является одним из критериев качества. Пористость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами. Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного машиностроения. Чем меньше плотность материалов, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины. Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности и удельной жесткости. По этим характеристикам первое место занимают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям. При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового расширения. Тепловое расширение− это изменение объёма (линейных размеров тела) при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния. Для практических целей пользуются средними значениями коэффициентов объемного αV и линейного αl расширения: (4.5) где V, l — объем и длина образца соответственно; ΔV, Δl изменения объёма и длины при повышении температуры на ΔТ. В общем случае b = a1 + a2 + a3, (4.6) где a1, a2 и a3 — соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла (табл. 4.1). Таблица 4.1 Значение коэффициента линейного расширения a • 106 , К-1
Для кристаллов кубической системы, а также для стекла и других изотропных материалов с аморфной структурой b = 3a. В кристаллах с низкой симметрией отдельные слагаемые коэффициента объемного расширения могут принимать отрицательные значения. При поляризации атомов и появлении дальнодействующих составляющих межатомного взаимодействия коэффициент b становится отрицательным. Например, германий при нагреве от 15 до 40К не расширяется, а сжимается. Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные полимеры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы. Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражаются на значениях коэффициента линейного расширения: они существенно различаются в направлении преимущественной ориентации и в поперечном направлении. Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмолекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличию водородных и химических связей между молекулами. Тепловое расширение стекол по мере повышения содержания щелочных оксидов Ме2О возрастает от a =0,56 · 10-6 К-1 − у кварцевого стекла до a < 6 ·10-6 К-1 − у так называемых твердых стекол и a > 6 · 10-6 К-1 − у так называемых мягких стекол, к которым относится большая часть промышленных стекол (a = (6 ... 9) · 10-6 К-1). Различие значений коэффициента теплового расширения двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений. Согласование значений a при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в стекла. Получаемые спаи отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовлении аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуатации машин и приборов в изменяющихся температурных полях. У большинства материалов при повышении температуры коэффициенты теплового расширения увеличиваются. При термоциклировании или частых колебаниях температур в изделиях и деталях создаются неоднородные температурные поля и возникают напряжения. Работа материала при повышенных температурах и меняющихся напряжениях сопровождается появлением трещин и разрушением даже, если эти материалы являются высокопластичными. Наиболее стойки к термической усталости и разрушению при термических ударах материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью. Теплопроводностьюназывается перенос энергии в форме теплоты в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности среды. Основным законом передачи тепла в неподвижной среде (молекулярной теплопроводностью или кондукцией) является закон Фурье: , (4.7) где q — плотность теплового потока, Дж/м2 ·с; l — теплопроводность, Вт/(м·К). Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Тепловая энергия в твердых телах переносится электронами и фононами, т.е. l = lэ + lф. (4.8) Механизм передачи энергии в первую очередь определяется типом связи: в металлах энергию переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят тепловую энергию, 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 энергии электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием (табл. 4.2).
Таблица 4.2 Теплопроводность кварцевого стекла, кварца, поликристаллических и жидких металлов
_______ * В числителе − в перпендикулярном, а в знаменателе − в параллельном оси направлении. ** В числителе − в расплавленном, а в знаменателе − в поликристаллическом состоянии. Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше 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. Теплопроводность пористых керамических и металлических материалов независимо от типа межатомной связи можно оценить по формуле: lпор @ l(1 - р), (4.9) где l — теплопроводность беспористого материала, Вт/(м·К); р — доля пор в объёме пористого материала (пористость). Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза (табл. 4.3). Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность (50-70 Вт/(м·К)). 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 (рис. 4.1). Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(м·К). Таблица 4.3 Физические свойства материалов с металлической, ковалентной иионной межатомной связью
Теплоемкость− это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость − количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100...2000 Дж/(кг·К). Тугоплавкие металлы характеризуются низкими значениями, например, W (134 Дж/(кг·К) и Мо (254 Дж/(кг·К) , а легкие металлы, напротив − высокими значениями теплоемкости, например, Al, Mg и Be (896, 1017 и 1750 Дж/(кг·К), соответственно. 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 увеличена 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. По этой причине удельное электросопротивление таких материалов при нагреве снижается. Начиная с (0,8 — 0,9)Тпл концентрация носителей заряда становится большой, а сами материалы делаются проводящими. Механические свойства Механические свойства – характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами конкретного изделия и оценивают работоспособность материала в условия эксплуатации.
Популярное: Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (748)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |