ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Решение задач
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 493
Скачиваний: 6
Практическая работа №3
Физические свойства тугоплавких металлов
Содержание
1. Температура плавления……………………………………………………………….
2. Плотность………………………………………………………………………………
3. Электрические свойства……………………………………………………………….
4. Сверхпроводимость……………………………………………………………………
5. Свойства, необходимые для ядерной энергетики…………………………………..
6. Свойства, определяющие прочность связи………………………………………….
Важными физическими свойствами тугоплавких металлов для их практического использования являются:
- температура плавления;
- плотность;
- электрические свойства;
- сверхпроводимость;
- свойства, необходимые для ядерной энергетики
Помимо вышеупомянутых свойств, рассмотрим также свойства, которые определяют природу высокой прочности связи. Ими являются:
- сжимаемость
- температурный коэффициент линейного расширения
1. Температура плавления
Тпл – это важнейшее свойство, определяющее физическую возможность использования ТМ в качестве основы при создании жаропрочных сплавов для авиационной, ракетной техники и атомной энергетики. Тпл дала название рассматриваемой группы металлов.
Температура плавления закономерно меняется вдоль больших период, достигая максимума при шести (d+s)- электронах, т.е. у металлов VIA группы. Именно эти металлы отдают максимальное количество электронов для образования межатомной связи. С увеличением номера периода Тпл в пределах одной группы повышается (табл.1).
Из табл.1 видно, что у металлов VIA группы Тплав максимальна внутри каждого большого периода ПСЭ. Тплав – это характеристика прочности связи. Связь определяется взаимодействием атомов, т.е. электронами, находящимися на ds уровне. У VIA группы на ds уровне максимальное количество электронов (больше, чем в IVA и VA), и даже больше, чем в VIIA, т.к. есть ещё и спины.
№ группы |
IVA |
VA |
VIA |
VIIA |
|
Количество (d+s) электронов |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
I большой период |
Металл → Тпл, °C → Qсуб, кДж/ат→ |
Ti 1670 470 |
V 1910 510 |
Cr 1863 400 |
Mn 1246 290 |
II большой период |
Металл → Тпл, °C → Qсуб, кДж/ат→ |
Zr 1855 610 |
Nb 2469 |
Mo 2625 |
Tc 2204 |
III большой период |
Металл → Тпл, °C → Qсуб, кДж/ат→ |
Hf 2231 610 |
Ta 3020 780 |
W 3422 850 |
Re 3186 780 |
Табл. 1 ‒ Температура плавления (Тпл) и теплота сублимации(Qсуб) металлов IVA-VIIA групп трех больших периодов
Общую характеристику сил связи между атомами в кристалле можно получить в результате анализа данных по таким свойствам как температура плавления, теплота сублимации, модули упругости, периоды решетки, атомные радиусы элементов. Важную информацию о силах связи дают также коэффициенты сжимаемости и ТКЛР, которые непосредственно связаны с силами межатомного взаимодействия в твердом состоянии. По обычным прочностным свойствам (σв, σ0.2, HB) о силах связи делать заключения нельзя, т.к. эти свойства зависят от количества дефектов структуры (вакансий, дислокаций, наличие границ зерен, субзерен и т.п.)
Наблюдается общая тенденция повышения Тпл и Qсуб, а следовательно, и усиления прочности связи у ТМ при переходе от первого большого периода к третьему в пределах одной группы так, что (см. табл. 1):
ТМ I большого периода (V, Cr) имеют Тпл ~ 1900°С;
ТМ II большого периода (Nb, Mo) имеют Тпл ~ 2500°С;
ТМ III большого периода (Ta, W, Re) имеют Тпл > 3000°С.
Самым тугоплавким металлом среди металлов является W, его Тпл = 3422 °С. Среди ТМ самое большое применение в качестве основы жаропрочных сплавов нашли металлы «большой четверки» - Nb, Ta, Mo, W. Их объединяют высокие Тпл и доступность (имеются достаточно большие сырьевые резервы в виде разведанных руд). Среди этих металлов нет только тугоплавкого Re (Тпл = 3186°С), который относится к исключительно редким металлам.
В табл.2 приведены важнейшие физические свойств ТМ.
Характеристики |
Значение свойств металлов |
|||||||||
Zr |
V |
Nb |
Ta |
Cr |
Mo |
W |
Re |
|||
№ группы |
IVA |
VA |
VIA |
VIIA |
||||||
Температура плав., ℃ |
1855 |
1910 |
2469 |
3020 |
1863 |
2625 |
3422 |
3186 |
||
Плотность, г/см3 |
6,5 |
6,14 |
8,58 |
16,5 |
7,19 |
10,2 |
19,35 |
21,0 |
||
Удельное электросопротивления, мкОм·см |
42 |
24,8 |
12,7 |
12,4 |
12,8 |
5,78 |
5,5 |
19,14 |
||
Температура перехода в сверхпроводящее состояние, К |
0,7 |
5,13 |
9,22 |
4,38 |
─ |
0,9 |
0,05 |
1,7 |
||
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, барн |
0,18 |
4,98 |
1,1 |
21,3 |
3,1 |
2,7 |
19,2 |
8,6 |
||
Удельная теплота сублимации, кДж/г·атом |
─ |
515,8 |
722 |
782,5 |
397 |
665 |
847,8 |
779,2 |
||
Коэффициент линейного расширения, 106·К-1 |
5,78 |
8,3 |
7,08 |
6,59 |
8,4 |
4,98 |
4,30 |
6,7 |
||
Модуль упругости, ГПа |
68 |
135 |
120 |
186 |
288 |
320 |
395 |
467 |
||
Коэффициент сжимаемости, ᴂ·10-11, Па-1 |
1,12 |
0,62 |
0,58 |
0,53 |
0,92 |
0,46 |
0,30 |
0,27 |
Табл. 2 – Физические свойства тугоплавких металлов
2. Плотность
Другим важнейшим свойством, кроме Тпл, которое определяет возможность использования материалов в конструкциях летательных аппаратов, является плотность, т.к. в этом случае прочностные расчеты проводят по удельным характеристикам.
Данные табл. 2 показывают, что самые тугоплавкие металлы W, Re, и Ta являются и наиболее тяжелыми. Это дает перспективы для применения менее тугоплавким металлам.
Среди металлов VA и VIA групп самую малую плотность имеют V и Cr. Это определяет их перспективность для применения в качестве конструкционных материалов до 1100 - 1300°С. Для работы при более низких температурах (1050°С) у сплавов на основе V и Cr имеются серьезные конкуренты среди обычных конструкционных материалов – суперсплавов на основе Ni и Co.
Среди металлов «большой четверки» самым легким является Nb (8.58г/см3).
Это наряду с высокой Тпл (2469°С) определяет ниобиевые сплавы как наиболее перспективный жаропрочный материал для работы при температурах 1100-1400 °С.
В свою очередь молибденовые сплавы по удельной жаропрочности превосходят W и его сплавы до температуры 1600 °С (Mo почти в 2 раза легче W).
При температурах больше 1800-2200 °С у W и его сплавов уже нет конкурентов по удельной и абсолютной жаропрочности.
Ta (3020 °С) менее широко используется как основа жаропрочных сплавов, т.к. при температурах выше 1800°С танталовые сплавы уступают W, а при более низких температурах им серьезную конкуренцию составляют более легкие, дешевые и доступные молибденовые сплавы.
3. Электрические свойства
Важное значение для ТМ имеет электросопротивление, т.к. определяет возможность их использования в качестве конструкционного материала для электрических приборов и устройств.
Данные табл. 2 показывают, что среди важнейших ТМ наименьшее электросопротивление имеет W. Это обусловливает применение W и его сплавов при изготовлении замыкающих и размыкающих контактов в различных видах электроаппаратуры (например, пористый W, пропитанный медью). Этому способствуют:
- высокая твердость и прочность вольфрамовых контактов;
- износостойкость;
- высокое сопротивление эрозии и высокие дугогасительные свойства при размыкании контактов;
- хорошая электропроводность.
Комплекс этих свойств определяет надежность работы и длительный срок службу вольфрамовых контактов. Они являются альтернативой дорогостоящими контактам из благородных металлов.
Низкое удельное электросопротивление W и Mo по сравнению с Re и другими металлами VА группы в ряде случаев рассматривается как недостаток. Оно в несколько раз меньше, чем у Hf, Zr, V и Re (см. табл.2).
Электросопротивление W и Mo имеет важное значение, т.к. они используются для элементов электросопротивления нагревателей.
В настоящее время в большинстве вакуумных печей, длительно работающих в качестве нагревателей при температурах до 3000°С, используется W. В качестве нагревателей вакуумных печей и печей с защитной атмосферой широко используется также Mo и его сплавы. Отсюда особый интерес к электрическим свойствам этих металлов.