Все металлы обладают определенными физико-механическими свойствами, которые, собственно говоря, и определяют их удельный вес. Чтобы определить, насколько тот или иной сплав черной или нержавеющий стали подходит для производства рассчитывается удельный вес металлопроката . Все металлические изделия, имеющие одинаковый объем, но произведенные из различных металлов, к примеру, из железа, латуни или алюминия, имеют различную массу, которая находится в прямой зависимости от его объема. Иными словами, отношение объема сплава к его массе - удельная плотность (кг/м3), является постоянной величиной, которая будет характерной для данного вещества. Плотность сплава рассчитывается по специальной формуле и имеет прямое отношение к расчету удельного веса металла.
Удельным весом металла называется отношение веса однородного тела из этого вещества к объему металла, т.е. это плотность, в справочниках измеряется в кг/м3 или г/см3. Отсюда можно вычислить формулу как узнать вес металла. Чтобы это найти нужно умножить справочное значение плотности на объем.
В таблице даны плотности металлов цветных и черного железа. Таблица разделена на группы металлов и сплавов, где под каждым наименованием обозначена марка по ГОСТ и соответствующая ей плотность в г/см3 в зависимости от температуры плавления. Для определения физического значения удельной плотности в кг/м3 нужно табличную величину в г/см3 умножить на 1000. Например, так можно узнать какова плотность железа - 7850 кг/м3.
Наиболее типичным черным металлом является железо. Значение плотности - 7,85 г/см3 можно считать удельным весом черного металла на основе железа. К черным металлам в таблице относятся железо, марганец, титан, никель, хром, ваннадий, вольфрам, молибден, и черные сплавы на их основе, например, нержавеющие стали (плотность 7,7-8,0 г/см3), черные стали (плотность 7,85 г/см3) в основном используют , чугун (плотность 7,0-7,3 г/см3). Остальные металлы считаются цветными, а также сплавы на их основе. К цветным металлам в таблице относятся следующие виды:
− легкие - магний, алюминий;
− благородные металлы (драгоценные) - платина, золото, серебро и полублагородная медь;
− легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец.
Удельный вес цветных металлов
|
Таблица. Удельный вес металлов, свойства, обозначения металлов, температура плавления |
|||
| Наименование металла, обозначение |
Атомный вес | Температура плавления, °C | Удельный вес, г/куб.см |
| Цинк Zn (Zinc) | 65,37 | 419,5 | 7,13 |
| Алюминий Al (Aluminium) | 26,9815 | 659 | 2,69808 |
| Свинец Pb (Lead) | 207,19 | 327,4 | 11,337 |
| Олово Sn (Tin) | 118,69 | 231,9 | 7,29 |
| Медь Cu (Сopper) | 63,54 | 1083 | 8,96 |
| Титан Ti (Titanium) | 47,90 | 1668 | 4,505 |
| Никель Ni (Nickel) | 58,71 | 1455 | 8,91 |
| Магний Mg (Magnesium) | 24 | 650 | 1,74 |
| Ванадий V (Vanadium) | 6 | 1900 | 6,11 |
| Вольфрам W (Wolframium) | 184 | 3422 | 19,3 |
| Хром Cr (Chromium) | 51,996 | 1765 | 7,19 |
| Молибден Mo (Molybdaenum) | 92 | 2622 | 10,22 |
| Серебро Ag (Argentum) | 107,9 | 1000 | 10,5 |
| Тантал Ta (Tantal) | 180 | 3269 | 16,65 |
| Железо Fe (Iron) | 55,85 | 1535 | 7,85 |
| Золото Au (Aurum) | 197 | 1095 | 19,32 |
| Платина Pt (Platina) | 194,8 | 1760 | 21,45 |
При прокате заготовок из цветных металлов необходимо еще точно знать их химический состав, поскольку от него зависят их физические свойства.
Например, если в алюминии присутствуют примеси (хотя бы и в пределах 1%) кремния или железа, то пластические характеристики у такого металла будут гораздо хуже.
Другое требование к горячему прокату цветных металлов – это предельно точная выдержка температуры металла. К примеру, цинк требует при прокатке температуры строго 180 градусов - если она будет чуть выше или чуть ниже, капризный металл резко утратит пластичность.
Медь более «лояльна» к температуре (ее можно прокатывать при 850 – 900 градусах), но зато требует, чтобы в плавильной печи непременно была окислительная (с повышенным содержанием кислорода) атмосфера - иначе она становится хрупкой.
Таблица удельного веса сплавов металлов
Удельный вес металлов определяют чаще всего в лабораторных условиях, но в чистом виде они весьма редко применяются в строительстве. Значительно чаще находится применение сплавам цветных металлов и сплавам черных металлов, которые по удельному весу подразделяют на легкие и тяжелые.
Легкие сплавы активно используются современной промышленностью, из-за их высокой прочности и хороших высокотемпературных механических свойств. Основными металлами подобных сплавов выступают титан, алюминий, магний и бериллий. Но сплавы, созданные на основе магния и алюминия, не могут использоваться в агрессивных средах и в условиях высокой температуры.
В основе тяжелых сплавов лежит медь, олово, цинк, свинец. Среди тяжелых сплавов во многих сферах промышленности применяют бронзу (сплав меди с алюминием, сплав меди с оловом, марганцем или железом) и латунь (сплав цинка и меди). Из этих марок сплавов производятся архитектурные детали и санитарно-техническая арматура.
Ниже в справочной таблице приведены основные качественные характеристики и удельный вес наиболее распространенных сплавов металлов. В перечне представлены данные по плотности основных сплавов металлов при температуре среды 20°C.
|
Список сплавов металлов |
Плотность
сплавов |
|
Адмиралтейская латунь - Admiralty Brass (30% цинка, и 1% олова) |
8525 |
|
Алюминиевая бронза - Aluminum Bronze (3-10% алюминия) |
7700 - 8700 |
|
Баббит - Antifriction metal |
9130 -10600 |
|
Бериллиевая бронза (бериллиевая медь) - Beryllium Copper |
8100 - 8250 |
|
Дельта металл - Delta metal |
8600 |
|
Желтая латунь - Yellow Brass |
8470 |
|
Фосфористые бронзы - Bronze - phosphorous |
8780 - 8920 |
|
Обычные бронзы - Bronze (8-14% Sn) |
7400 - 8900 |
|
Инконель - Inconel |
8497 |
|
Инкалой - Incoloy |
8027 |
|
Ковкий чугун - Wrought Iron |
7750 |
|
Красная латунь (мало цинка) - Red Brass |
8746 |
|
Латунь, литье - Brass - casting |
8400 - 8700 |
|
Латунь, прокат - Brass - rolled and drawn |
8430 - 8730 |
|
Легкиесплавыалюминия - Light alloy based on Al |
2560 - 2800 |
|
Легкиесплавымагния - Light alloy based on Mg |
1760 - 1870 |
|
Марганцовистая бронза - Manganese Bronze |
8359 |
|
Мельхиор - Cupronickel |
8940 |
|
Монель - Monel |
8360 - 8840 |
|
Нержавеющая сталь - Stainless Steel |
7480 - 8000 |
|
Нейзильбер - Nickel silver |
8400 - 8900 |
|
Припой 50% олово/ 50% свинец - Solder 50/50 Sn Pb |
8885 |
|
Светлый антифрикционный сплав для заливки подшипников = |
7100 |
|
Свинцовые бронзы, Bronze - lead |
7700 - 8700 |
|
Углеродистая сталь - Steel |
7850 |
|
Хастелой - Hastelloy |
9245 |
|
Чугуны - Cast iron |
6800 - 7800 |
|
Электрум (сплав золота с серебром, 20% Au) - Electrum |
8400 - 8900 |
Представленная в таблице плотность металлов и сплавов поможет вам посчитать вес изделия. Методика вычисления массы детали заключается в вычислении ее объема, который затем умножается на плотность материала, из которого она изготовлена. Плотность - это масса одного кубического сантиметра или кубического метра металла или сплава. Рассчитанные на калькуляторе по формулам значения массы могут отличаться от реальных на несколько процентов. Это не потому, что формулы не точные, а потому, что в жизни всё чуть сложнее, чем в математике: прямые углы - не совсем прямые, круг и сфера - не идеальные, деформация заготовки при гибке, чеканке и выколотке приводит к неравномерности ее толщины, и можно перечислить еще кучу отклонений от идеала. Последний удар по нашему стремлению к точности наносят шлифовка и полировка, которые приводят к плохо предсказуемым потерям массы изделия. Поэтому к полученным значениям следует относиться как к ориентировочным.
В таблице представлены теплофизические свойства меди в зависимости от температуры в интервале от 50 до 1600 градусов Кельвина.
Плотность меди равна 8933 кг/м 3 (или 8,93 г/см 3) при комнатной температуре . Медь почти в четыре раза тяжелее и . Эти металлы будут плавать на поверхности жидкой меди. Значения плотности меди в таблице указаны в размерности кг/м 3 .
Зависимость плотности меди от ее температуры представлена в таблице. Следует отметить, что плотность меди при ее нагревании снижается как у твердого металла, так и у жидкой меди. Уменьшение значения плотности этого металла обусловлено его расширением при нагревании — объем меди увеличивается. Следует отметить, что жидкая медь имеет плотность около 8000 кг/м 3 при температурах до 1300°С.
Теплопроводность меди равна 401 Вт/(м·град) при комнатной температуре, что является довольно высоким значением , которое сравнимо с .
При 1357К (1084°С) медь переходит в жидкое состояние, что отражено в таблице резким падением значения коэффициента теплопроводности меди. Видно, что теплопроводность жидкой меди почти в два раза ниже, чем у твердого металла.
Теплопроводность меди при ее нагреве имеет тенденцию к снижению, однако при температуре выше 1400 К, значение теплопроводности снова начинает увеличиваться.
В таблице рассмотрены следующие теплофизические свойства меди при различных температурах:
- плотность меди, кг/м 3 ;
- удельная теплоемкость, Дж/(кг·град);
- температуропроводность, м 2 /с;
- теплопроводность меди, Вт/(м·К);
- функция Лоренца;
- отношение теплоемкостей.
Теплофизические свойства меди: КТР и удельная теплоемкость меди
Медь имеет сравнительно высокие теплоты плавления и кипения: удельная теплота плавления меди 213 кДж/кг; удельная теплота кипения меди 4800 кДж/кг.
В таблице ниже представлены некоторые теплофизические свойства меди в зависимости от температуры в интервале от 83 до 1473К. Значения свойств меди указаны при нормальном атмосферном давлении. Следует отметить, что удельная теплоемкость меди равна 381 Дж/(кг·град) при комнатной температуре, а теплопроводность меди равна 395 Вт/(м·град) при температуре 20°С.
Из значений коэффициента температурного расширения и теплоемкости меди в таблице видно, что нагрев этого металла приводит к росту этих величин. Например, теплоемкость меди при температуре 900°С становится равной 482 Дж/(кг·град).
В таблице даны следующие теплофизические свойства меди:
- плотность меди, кг/м 3 ;
- удельная теплоемкость меди, кДж/(кг·К);
- коэффициент теплопроводности меди, Вт/(м·град);
- удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
- линейный коэффициент теплового расширения (КТР), 1/град.
Источники:
1.
2. .
Сегодня разработано много сложных конструкций и приборов, где используются металлы и их сплавы с различными свойствами. Чтобы применить в определенной конструкции наиболее подходящий сплав, конструкторы подбирают его в соответствии с требованиями прочности, текучести, упругости, и т.д., а также устойчивости этих характеристик в требуемом диапазоне температур. Далее расчитывается необходимое количество металла, которое требуется для производства изделий из него. Для этого нужно произвести расчет на основе его удельного веса. Данная величина является постоянной - это одна из основных характеристик металлов и сплавов, практически совпадающая с плотностью. Рассчитать ее просто: нужно вес (P) какого-либо куска металла в твердом виде разделить на его объем (V). Полученная величина обозначается γ, а измеряется она в Ньютонах на кубический метр.
Формула удельного веса:
Исходя из того, что вес - это масса, умноженная на ускорение свободного падения, получаем следующее:
Теперь о единицах измерения удельного веса. Вышеупомянутые Ньютоны на кубический метр относятся к системе СИ. Если же используется метрическая система СГС, то данная величина измеряется в динах на кубический сантиметр. Для обозначения удельного веса в системе МКСС применяется следующая единица: килограмм-сила на кубический метр. Иногда допустимо использование грамм-силы на сантиметр кубический - данная единица лежит вне всех метрических систем. Основные соотношения получаются следующими:
1 дин/см 3 = 1,02 кГ/м 3 = 10 н/м 3 .
Чем большее значение удельного веса, тем тяжелее металл. Для легкого алюминия эта величина совсем невелика - в единицах СИ она равна 2,69808 г/см 3 (к примеру, у стали она равна 7,9 г/см3). Алюминий, как и сплавы из него, сегодня является весьма востребованным, а его производство растет постоянно. Ведь это один из немногих нужных для промышленности металлов, запас которых есть в земной коре. Зная удельный вес алюминия, можно рассчитать любое изделие из него. Для этого существует удобный металлический калькулятор, либо можно произвести расчет вручную взяв значения удельного веса нужного алюминиевого сплава из таблички ниже.
Однако важно учитывать, что это теоретический вес проката, поскольку содержание присадок в сплаве не является строго определенным и может колебаться в небольших пределах, то и вес проката одинаковой длины, но разных производителей или партий может отличаться, конечно это отличие невелико, но оно есть.
Приведем несколько примеров расчета:
Пример 1. Расчитаем вес алюминиевой проволоки марки А97 диаметром 4 мм и длиной 2100 метров.
Определим площадь поперечного сечения круга S=πR 2 значит S=3,1415·2 2 =12,56 см 2
Определим вес проката зная, что удельный вес марки А97=2,71 гр/см 3
М=12,56·2,71·2100=71478,96 грамм = 71,47 кг
Итого вес проволоки 71,47 кг
Пример 2. Расчитаем вес круга из алюминия марки АЛ8 диаметром 60 мм и длиной 150 см в количестве 24 штуки.
Определим площадь поперечного сечения круга S=πR 2 значит S=3,1415·3 2 =28,26 см 2
Определим вес проката зная, что удельный вес марки АЛ8=2,55 гр/см 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
В свободном виде алюминий представляет собой серебристо-белый (рис. 1) легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.
При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающего очень сильным защитным действием.
Рис. 1. Алюминий. Внешний вид.
Алюминий характеризуется большой тягучестью и высокой электропроводностью, составляющей приблизительно 0,6 электропроводности меди. С этим связано его использование в производстве электрических проводов (которые при сечении, обеспечивающем равную электропроводность, вдвое легче медных). Важнейшие константы алюминия представлены в таблице ниже:
Таблица 1. Физические свойства и плотность алюминия.
Распространенность алюминия в природе
Краткое описание химических свойств и плотность алюминия
При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом - при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 ;
2Al + 3F 2 = 2AlF 3 (t o = 600 o C);
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 ;
2Al + 2S = Al 2 S 3 (t o = 150 - 200 o C);
2Al + N 2 = 2AlN (t o = 800 - 1200 o C);
4Al + P 4 = 4AlPt o = 500 - 800 o C, в атмосфере H 2);
4Al + 3C = Al 4 C 3 (t o = 1500 - 1700 o C).
По отношению к воде алюминий практически вполне устойчив. Сильно разбавленные, а также очень концентрированные растворы азотной и серной кислот на алюминий почти не действуют, тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется.
2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ;
8Al + 30HNO 3 = 8Al(NO 3) 3 + 3N 2 O + 15H 2 O.
По отношению к уксусной и ортофосфорной кислотам алюминий устойчив. Чистый металл довольно устойчив также и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический в ней растворяется. Алюминий легко растворим в сильных щелочах:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 3H 2 + 2Na.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Вычислите плотность по водороду смеси 25 л азота и 175 л кислорода. |
| Решение | Найдем объемные доли веществ в смеси:
j = V gas / V mixture_gas ; j (N 2) = V(N 2) / V mixture_gas ; j (N 2) = 25 / (25 + 175) = 25 / 200 = 0,125. j (O) = V(O 2) / V mixture_gas ; j (O 2) = 175 / (25 + 175) = 175 / 200 = 0,875. Объемные доли газов будут совпадать с молярными, т.е. с долями количеств веществ, это следствие из закона Авогадро. Найдем условную молекулярную массу смеси: M r conditional (mixture) = j (N 2) ×M r (N 2) + j (O 2) ×M r (O 2); M r conditional (mixture) = 0,125 × 28 + 0,875 × 32 = 3,5 + 28 = 31,5. Найдем относительную плотность смеси по водороду: D H2 (mixture) = M r conditional (mixture) / M r (H 2); D H 2 (mixture) = 31,5 / 2 = 15,75. |
| Ответ | Плотность по водороду смеси, состоящей из азота и кислорода равна 15,75. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассчитайте плотности газов водорода H 2 и метана CH 4 по воздуху. |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (H 2) = M r (H 2) / M r (air); D air (H 2) = 2 / 29 = 0,0689. M r (H 2) = 2 ×A r (H) = 2 × 1 = 2. D air (CH 4) = M r (CH 4) / M r (air); D air (CH 4) = 16 / 29 = 0,5517. M r (CH 4) = A r (С) + 4 ×A r (H) = 12 + 4 × 1 = 12 + 4 = 16. |
| Ответ | Плотности газов водорода H 2 и метана CH 4 по воздуху равны 0,5517 и 16 соответственно. |
Плотность меди (чистой), поверхность которой имеет красноватый, а в изломе розоватый оттенок, высока. Соответственно, этот металл обладает и значительным удельным весом. Благодаря своим уникальным свойствам, в первую очередь отличной электро- и , медь активно используется для производства элементов электронных и электрических систем, а также изделий другого назначения. Кроме чистой меди, большое значение для многих отраслей промышленности имеют и ее минералы. Несмотря на то что в природе таких минералов существует более 170-ти видов, активное применение нашли только 17 из них.
Значение плотности меди
Плотность данного металла, которую можно посмотреть в специальной таблице, имеет значение, равное 8,93*10 3 кг/м 3 . Также в таблице можно увидеть и другую, не менее важную, чем плотность, характеристику меди: ее удельный вес, который тоже равен 8,93, но измеряется в граммах на см 3 . Как видите, у меди значение этого параметра совпадает со значением плотности, но не стоит думать, что это характерно для всех металлов.
Плотность этого, да и любого другого металла, измеряемая в кг/м 3 , напрямую влияет на то, какой массой будут обладать изделия, изготовленные из данного материала. Но для определения массы будущего изделия, изготовленного из меди или из ее сплавов, к примеру, из латуни, удобнее пользоваться значением их удельного веса, а не плотности.
Расчет удельного веса
На сегодняшний день разработано множество методик и алгоритмов измерения и расчета не только плотности, но и удельного веса, позволяющих даже без помощи таблиц определять этот важный параметр. Зная удельный вес, который у разных и чистого металла отличается, как и значение плотности, можно эффективно подбирать материалы для производства деталей с заданными параметрами. Такие мероприятия очень важно выполнять на стадии проектирования устройств, в составе которых планируется использовать детали, изготовленные из меди и ее сплавов.
Удельный вес, значение которого (как и плотности) можно посмотреть и в таблице - это отношение веса изделия, изготовленного как из металла, так и из любого другого однородного материала, к его объему. Выражается это отношение формулой γ=P/V, где буквой γ как раз и обозначается удельный вес.
Нельзя путать удельный вес и плотность, которые являются разными характеристиками металла по своей сути, хоть и обладают одинаковым значением для меди.
Зная удельный вес меди и используя формулу для расчета этой величины γ=P/V, можно определить массу медной заготовки, имеющей различной сечение. Для этого необходимо перемножить значение удельного веса для меди и объем рассматриваемой заготовки, определить который расчетным путем не представляет особой сложности.
Единицы измерения удельного веса
Для выражения удельного веса меди в различных системах измерения используются различные единицы.
- В системе СГС данный параметр измеряется в 1 дин/см 3 .
- В системе СИ принята единица измерения 1н/м 3 .
- В системе МКСС используется единица измерения 1 кГ/м 3 .
Если вы столкнулись с различными единицами измерения этого параметра меди или ее сплавов, то не представляет сложности перевести их друг в друга. Для этого можно использовать простую формулу перевода, которая выглядит следующим образом: 0,1 дин/см 3 = 1 н/м 3 = 0,102 кГ/м 3 .
Расчет веса с использованием значения удельного веса
Чтобы вычислить вес заготовки, нужно определить площадь ее поперечного сечения, а затем умножить его на длину детали и на удельный вес.
Пример 1:Рассчитаем вес прутка из медно-никелевого сплава МНЖ5-1, диаметр которого составляет 30 миллиметров, а длина — 50 метров.
Площадь сечения вычислим по формуле S=πR 2 , следовательно: S = 3,1415 · 15 2 = 706,84 мм 2 = 7,068 см 2
Зная удельный вес медно-никелевого сплава МНЖ5-1, который равен 8,7 гр/см 3 , получим: М = 7,068 · 8,7 · 5000 = 307458 грамм = 307,458 кг
Пример 2Вычислим вес 28-ми листов из медного сплава М2, толщина которых составляет 6 мм, а размеры 1500х2000 мм.
Объем одного листа составит: V = 6 · 1500 · 2000 = 18000000 мм 3 = 18000 см 3
Теперь, зная, что удельный вес 1 см 3 меди марки М3 равен 8,94 гр/см 3 , можем узнать вес одного листа: M = 8,94 · 18000 = 160920 гр = 160,92 кг
Масса всех 28-ми листов проката составит: М = 160,92 · 28 = 4505,76 кг
Пример 3:Вычислим вес прута квадратного сечения из медного сплава БрНХК длиной 8 метров и размер стороны 30 мм.
Определим объем всего проката: V = 3 · 3 · 800 = 7200 см 3
Удельный вес указанного жаропрочного сплава равен 8,85 гр/см 3 , следовательно общий вес проката составит: М = 7200 · 8,85 = 63720 грамм = 63,72 кг
Загрузка...
