ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Решение задач
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 499
Скачиваний: 6
Из-за низкого электросопротивления W и Mo в ряде случаев заменяют более дефицитными Re или Ta-Nb сплавами.
4. Сверхпроводимость
Согласно теоритическим представлениям об электрической проводимости металлов, электросопротивление чистого металла должно обращаться в нуль лишь при достижении температуры абсолютного нуля. Однако существует широкий класс веществ, электросопротивление которых при охлаждении ниже определенной температуры (но выше 0,К) скачкообразно падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью; а вещества, обладающие такими свойствами – сверхпроводниками.
Наиболее общим свойством сверхпроводников является существование критической температуры сверхпроводимости Тк, ниже которой электросопротивление вещества становится исчезающе малым (учитывают также критическую силу тока (Iк) и критический магнитный поток, устраняющие сверхпроводимость).
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.
Из-за низкого электросопротивления W и Mo в ряде случаев заменяют более дефицитными Re или Ta-Nb сплавами.
Согласно теоритическим представлениям об электрической проводимости металлов, электросопротивление чистого металла должно обращаться в нуль лишь при достижении температуры абсолютного нуля. Однако существует широкий класс веществ, электросопротивление которых при охлаждении ниже определенной температуры (но выше 0,К) скачкообразно падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью; а вещества, обладающие такими свойствами – сверхпроводниками.
Наиболее общим свойством сверхпроводников является существование критической температуры сверхпроводимости Тк, ниже которой электросопротивление вещества становится исчезающе малым (учитывают также критическую силу тока (Iк) и критический магнитный поток, устраняющие сверхпроводимость).
5. Свойства, необходимые для ядерной энергетики
Одним из потребителей ТМ является атомная промышленность. К материалам, работающим в активной зоне ядерных реакторов, предъявляются специфические требования. Помимо высокой термо- и коррозионной стойкости, степень пригодности таких материалов определяется сечением захвата тепловых нейтронов. Этот коэффициент должен быть по возможности малым, материалы не должны поглощать много тепловых нейтронов.
Это обеспечивает наибольшую эффективность работы ядерного горючего, а материалам – сохранять высокие механические свойства при продолжительном действии нейтронного потока.
Среди металлов одним из самых низких значений этого коэффициента имеет Zr (0,18 барн; см. табл. 2). Благодаря этому Zr и его сплавы в настоящее время являются важнейшими конструкционными материалами, применяемыми в ядерных реакторах. Из них изготавливаются оболочки ТВЭЛов, трубопроводы охлаждения и другие конструкции.
Анализ табл. 2 показывает, что среди важнейших ТМ наиболее перспективными являются Nb и Mo. Они имеют сравнительно малые значения сечения захвата тепловых нейтронов, высокие Тпл, удовлетворяют другим требованиям атомной энергетики. Сплавы этих металлов широко используются в атомной промышленности. W используется в меньшей степени.
6. Свойства, определяющие прочность связи
Наряду с Тпл, Qсуб, Е следует отметить и другие физические свойства ТМ, которые определяют прочность связи в твердом состоянии. Такими свойствами являются также сжимаемость (æ) и ТКЛР, которые непосредственно связаны с силами межатомного взаимодействия в твердом состоянии.
Сжимаемость (æ) представляет собой относительное уменьшение объема при увеличении гидростатического давления на единицу, т.е. являются мерой сил, которые приводят к более тесному сближению атомов.
ТКЛР является мерой сил, которые приводят к увеличению амплитуды колебаний атомов при повышении температуры.
Низкие значения этих характеристик указывает на высокие силы сцепления между атомами. Минимальный ТКЛР имеет самый тугоплавкий металл – вольфрам (табл. 2).
Характер зависимости сжимаемости от атомного номера элементов однозначно указывает, что максимальную прочность связи имеют переходные металлы в середине рядов больших периодов и соответствуют тугоплавким металлам VIA группы (см. ПР №2 рис 3.3). Наименьшее значение этой характеристики имеет W.
Максимальные модули упругости (Е) имеют Os, Ir, и Re (табл. 2); W уступает им по величине этой характеристики: ЕWОЦК = 395 Гпа, ЕOsГП = 570Г па, ЕReГП = 467 Гпа, ЕIrГЦК = 540 Гпа.
Как считают, это связано не только с силами связи между атомами, но и с особенностями кристаллической структуры этих ТМ: Os (ГП), Ir (ГЦК), Re (ГП) кристаллизуются в плотноупакованные структуры в то время, как W (ОЦК) имеет более «рыхлую» решетку (К8).
Вопросы для самоконтроля
1. Какие металлы называются тугоплавкими?
2 Какие физические свойства ТМ важны для их практического использования?
3. Чем различается электронное строение металлов VI и V группы Периодической системы элементов?
4. Почему у металлов VIA группы температура плавоения максимальна внутри каждого большого периода ПСЭ?
5. Почему на кривых изменения многих физических свойств в зависимости от номера элемента группы ПСЭ наблюдаются экстремальные значения свойств в середине больших периодов?
6. Почему по обычным прочностным свойствам (предел прочности, предел текучести), которые определяют на полуфабрикатах, тугоплавких металлов нельзя делать заключение о силах связи между атомами в этих металлах?
7. Как изменяются Тплав ТМ в пределах одной подгруппы от IVA до VIIIА подгрупп? Назовите средний уровень температур плавления тугоплавких металлов 1,2,3 групп большого периода Периодической системы элементов? Какую Тплав имеет W?
8. Назовите физические свойства, которые определяют важнейшие области применения ТМ и сплавов на основе ТМ?
9. Какие ТМ и почему представляют интерес для использования в ядерных реакторах?
10. Почему плотность имеет важное значение для конструкционных материалов на основе ТМ и всегда ли?