Плотность металлов: расчет и примеры использования

Понятие и определение плотности металла

Под плотностью принято понимать количество вещества в определенном объеме, соответственно, формула для математического вычисления этой величины следующая:

ρ = m / V.

Для обозначения этого показателя используют греческую букву ρ.

Благодаря универсальности этой характеристики с ее помощью сравнивают различные материалы. Также последние можно идентифицировать по плотности, как сделал это Архимед, усомнившийся в подлинности золотой короны. Он вычислил плотность металла и доказал, что перед ним подделка.

Величина этого показателя определяется двумя факторами:

• атомарной и молекулярной массой вещества;
• средним расстоянием между атомами и молекулами.

К примеру, плотность углеродных материалов ниже, чем этот показатель у любого переходного металла за счет более высокой массы атомов последних. Также можно привести в пример два углеродных материала графит и алмаз – более высокая плотность второго обусловлена меньшими межатомными расстояниями.

К самой многочисленной в периодической таблице элементов группе металлов относятся простые вещества, которые обладают:

• ковкостью (способностью к пластическому деформированию без разрушения);
• высокой электро- и теплопроводностью;
• отрицательным температурным коэффициентом проводимости;
• характерным металлическим блеском.

Металлам свойственна низкая электроотрицательность, отличающая их от азота, кислорода или углерода, что делает возможным образование металлических межатомных связей. Последние проявляются в электрическом взаимодействии несущих положительный заряд ионов с отрицательно заряженными электронами, причем силы такого взаимного влияния имеют ненаправленный и нелокализованный характер.

Этот показатель может сильно отличаться у разных металлов. Например, наименьшую плотность имеет литий, который вдвое уступает по этому параметру воде. А осмий стоит на первом месте с плотностью, достигающей 22,59 г/см³.

Определить, какая плотность свойственна конкретному металлу, можно различными методами.

К экспериментальным способам относят два основных вида определения плотности металлов:

1. Для тел идеальной геометрической формы (шара, куба, параллелепипеда и т. д.) можно воспользоваться взвешиванием и несложным вычислением объема.
2. Для гидростатического измерения плотности пользуются специальными весами, которые Галилео Галилей разработал в XVI веке. Для вычисления значения ρ здесь пользуются несложной формулой, в которую проставляют массы тела в двух средах – воздушной и водной.

Теоретический метод, позволяющий определить плотность металлов и сплавов, также довольно прост: нужно располагать данными о типе кристаллической решетки, атомарной массе и среднем расстоянии между атомами.

Важность определения плотности металла в промышленности

Плотность материалов или отношение массы на единицу объема является физической величиной, на которой базируется большая часть технологий. Данный показатель принято измерять в г/см³, реже – в кг/м³.

Информация о плотности большей части широко применяемых в производстве типов стали, чугуна и других металлов и сплавов, включая цветные, содержится в специализированных справочниках и другой технической литературе. Если же для сплава с нестандартным составом нет таких данных, его плотность определяют в подавляющем большинстве случаев гидростатическим методом и примерно в пяти случаях из 100 прибегают к помощи пикнометра.

ГОСТы по гидростатическому методу измерения плотности:

• ГОСТ 15239 (1969 год).
• ГОСТ 20018 (1974 год).
• ГОСТ 25281 (1982 год).
• Технические условия 48-19-76-90.

Для измерения плотности используют хорошо смачивающую жидкость с максимально низкой летучестью, которая не реагирует с исследуемым металлом. Самым доступным и простым вариантом является дистиллированная вода.

Одно из основных современных направлений в разработке новых конструкций и узлов – достижение оптимального соотношения прочности и веса. Определяющее значение в решении таких задач имеет плотность.

Примеры значений плотности наиболее востребованных металлов

Железо обладает плотностью 7,874 г/см³, никель – 8,91 г/см³, хром – 7,19 г/см³, вольфрам – 19,25 г/см³. Эти значения приведены для твердого состояния сплавов. В расплаве металла плотность меняется.

Без металлов сложно представить себе промышленность и быт современного человека. С каждым годом увеличиваются объемы их выплавки. Земная кора содержит большие количества отдельных представителей этой группы. К примеру, железо составляет около 4,6 % ее состава, алюминий – 8,9 %, магний – 2,1 %, а титан – 0,63 %. В металлургии принято разделение этих элементов на подгруппы.

Группа черных металлов включает в себя сталь и чугун различных сортов. Сталью принято называть сплавы с процентной долей железа от 45 % и выше, а углерода в диапазоне от 0,1 до 2,14 %. При более высоком содержании углерода сплав относят к чугуну.

Плотность стальных сплавов зависит от их химического состава и может варьироваться от 7,6 до 8,8 г/см³. Такой металл имеет сложную структуру. Легирующие добавки не просто смешиваются с основным материалом, а встраиваются в решетку, образуя сложные связи, что позволяет менять целый ряд характеристик, в том числе и плотность. Наибольшее значение по этому параметру имеют марки быстрорежущих сталей, в состав которых введен высокий процент вольфрама.

Широкое распространение в промышленности получили бронза (медные сплавы, содержащие олово, алюминий, свинец и бериллий), латунь, медь и алюминий. Сплав, давший название бронзовому веку, когда практически все оружие, орудия труда и бытовые предметы изготавливались из него, состоял из меди и мышьяка.

Латунью называются сплавы меди с цинком и/или оловом. Для увеличения ломкости стружки в состав может быть введен свинец. Помимо использования для изготовления большого разнообразия деталей, применяющихся в самых различных областях – от космической отрасли до судостроения, эти сплавы востребованы в качестве материала для ювелирных и художественных изделий.

Дюралюминий – алюминиевый сплав, содержащий 4,4 % меди, – нашел широкое применение в авиационной промышленности благодаря высокой прочности в сочетании с малым удельным весом.

Знакомство человечества с металлами началось с золота и серебра. С незапамятных времен и до нашего времени эти драгоценные металлы в основном использовались как материал для изготовления ювелирных украшений и предметов искусства.

Высокая тугоплавкость вольфрама делает его незаменимым материалом для изготовления деталей различных приборов, а благодаря высокой плотности из него часто производят элементы радиационной защиты.

Из пластичного жаропрочного сплава хрома и никеля – нихрома – изготавливают, в частности, долговечные и прочные нити для электронагревательных элементов производственного оборудования и бытовых приборов.

Важность плотности металла шва при сварке

На плотность материала сварных швов, помимо свойств металла соединяемых элементов и сварочного стержня, влияют также пустоты и мелкие усадочные раковины. Порообразование при сваривании деталей обусловлено, как правило, растворением в расплаве выделяющегося при сварке газа.

Оценить пористость металла в сварных швах можно, пользуясь разными методиками:

1. Чаще всего проверяют прочность сварных соединений канистр для горючих материалов, масла, воды, а также газгольдеров, трубопроводов, паровых котлов и т. д. Испытания непроницаемости и герметичности сварных швов корпуса металлического судна регламентирует ГОСТ 3285 от 1977 года, металлических труб с помощью гидравлического давления – ГОСТ 3845 от 1975 года.

   Гидравлические и воздушные испытания, которым подвергают машины, механизмы, паровые котлы, сосуды и аппараты судов регламентированы ГОСТ 22161 (1976 год).

2. Для проведения гидравлического испытания в воде или другой жидкости, наполняющей сосуд, насосом или гидравлическим прессом создают давление в 1,1–1,5 раза выше рабочего. Для измерения давления используют поверенный и опломбированный манометр. Выдержка составляет от 5 до 10 минут, в течение которых проводят осмотр сварных швов, чтобы исключить подтекание и отпотевание (образование конденсата).

3. Открытые нефтяные резервуары, газгольдеры и другие сосуды для испытания наполняют водой и через несколько часов производят тщательный осмотр. Помимо струек и отпотевания на корпусе, о нарушенной герметичности швов может свидетельствовать понижение уровня жидкости.

   При испытании места соединения проливают водяной струей, используя рукав, после чего осматривают обратную сторону, чтобы исключить наличие капель или струек воды. С помощью гидравлических испытаний швы проверяются как на плотность, так и на прочность.

4. Для пневматических испытаний испытываемые емкости заполняют под давлением воздухом или другим газом. Если позволяют размеры, сосуд погружают в воду, чтобы обнаружить выходящие через дефекты шва пузырьки. Для обследования больших резервуаров или труб, на участки сварного соединения наносят специальные пенные растворы. О наличии дефектов может говорить падение давления в испытываемом сосуде в течение 10–100 часов.

   Для испытания крупногабаритных резервуаров или соединений трубопроводов также можно использовать струю сжатого воздуха, который подается с расстояния 3 см под прямым углом к сварному шву. Давление должно составлять не менее 400 кПа. Для того чтобы можно было визуально определить места пониженной плотности металла шва, на его обратную сторону наносят пенный раствор.

   Важно! Недопустимо обстукивать испытываемые давлением сварные швы и пытаться избавиться от дефектов в ходе испытаний.

5. Вакуумное испытание проводят, устанавливая на нужный участок шва, смоченный мыльным раствором, специальную камеру, которая представляет собой короб без дна с прозрачным верхом. Для герметичности края короба снизу снабжены резиновым уплотнением. В камере создают отрицательное давление, причем перепад должен составлять от 6 до 7 кПа.

   Если через прозрачный верх коробки наблюдается образование пузырей, это указывает на наличие дефектных участков соединения. Для проведения осмотра при отрицательной температуре в эмульсию добавляют хлористый калий или натрий. Этим методом широко пользуются для контроля качества швов, к которым невозможен доступ с обеих сторон.

Плотность металлов служит одной из ключевых характеристик в большинстве современных производственных процессов.