HomeСталь, сплавы › Физические свойства металлов

Физические свойства металлов

Физические свойства металловТемпература плавления. В пределах каждого периода периодической системы температура плавления изменяется в зависимости от числа электронов, расположенных на s, р и d электронных подгруппах атомов, и достигает максимального значения у металлов группы VIA.

 

Кроме того, температура плавления металлов повышается при переходе от металлов, расположенных вверху каждой группы периодической системы, к металлам, расположенным внизу. Такое положение объясняют частичным участием в межатомных связях внутренних электронов атомов и различием в их электронной структуре.

 

Наиболее высокую температуру плавления имеют вольфрам (3380°С), рений (3180°С), осмий (3045°С) и тантал (2996°С).

Тугоплавким металлам свойственны и наиболее высокие температуры кипения. Важной характеристикой тугоплавких металлов, является теплота плавления. Для ниобия, по данным разных авторов, она составляет 19,8-26,0 Мдж/моль (4733-6400 ккал/моль) и уступает теплоте плавления вольфрама и молибдена, но превышает теплоту плавления тантала.

 

Плотность. Самым легким тугоплавким металлом является титан, имеющий плотность 4,5 г/см3. Большинство же тугоплавких металлов имеют плотность больше 10 г/\’см3 и относятся к категории тяжелых. Самым тяжелым металлом является осмий, имеющий плотность 22,5 г/см3. Из приведенных в таблице металлов наибольшую плотность имеет вольфрам — 19,3 г/см3, что соответствует плотности золота, и несколько ниже плотности платины, иридия, рения и осмия.

 

Хотя большая плотность вольфрама может рассматриваться как отрицательный показатель для использования его в конструкциях, однако повышенная прочность при высоких температурах позволяет снизить вес изделий из вольфрама за счет уменьшения их размеров.

 

Плотность тугоплавких металлов в большой степени зависит от их состояния. Например, плотность спеченного штабика вольфрама колеблется в пределах 17,0-• 18,0 г/см3, а плотность кованого штабика со степенью деформации 75% составляет 18,6-19,2 г/см3. То же наблюдается и у молибдена: спеченный штабик имеет плотность 9,2-9,8 г/см3, кованый со степенью деформации 75%-9,7-10,2 г/см3 и литой 10,2 г/см3.

 

Плотность ниобия ниже плотности молибдена в 1,2 раза, тантала — почти в два раза и вольфрама — в 2,25 раза (см. табл. 1). Отжиг деформированного ниобия повышает его плотность, что, по-видимому, можно объяснить перемещением атомов в отдельных кристаллах и закрытием внутрикристаллических пустот до тех пор, пока не будет достигнута температура рекристаллизации.

Давление пара и скорость испарения. Одной из важнейших характеристик тугоплавких металлов является давление пара металла и его соединений. Знание этих характеристик необходимо при определении условий обработки тугоплавких металлов давлением в вакууме и инертных средах.

 

Наименьшее давление пара  по сравнению с другими металлами характерно для вольфрама. Низкое давление пара свойственно также молибдену; хром, напротив, характеризуется высокими значениями давления пара и отличается большой летучестью.

 

По Ленгмюру, скорость испарения связана с давлением пара следующей зависимостью:

где v — скорость испарения; р — давление.пара; М — молекулярный вес; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

 

Необходимо отметить, что скорость испарения металла зависит от его физического и структурного состояния. Например, скорость испарения вольфрамовой проволоки диаметром 0,05 и 0,25 мм одинакова, но скорость испарения мелкозернистой проволоки на 40% выше, чем крупнозернистой.

Теплоемкость. Теплоемкость — это термодинамическая характеристика, определяющая количество энергии, необходимой для нагревания на один градус одного грамма вещества при данной температуре.

Теплопроводность. Теплопроводность характеризует способность передавать тепло от нагретого участка тела к более холодному. Вольфрам и молибден характеризуются более высокими значениями коэффициентов теплопроводности по сравнению с другими металлами.

 

Теплопроводность вольфрама составляет менее половины теплопроводности меди, но она намного выше, чем у железа или никеля. Молибден по теплопроводности в несколько раз превосходит обычные высокотемпературные сплавы, что исключает возникновение больших термических напряжений при быстром нагреве и охлаждении.

 

Теплопроводность тугоплавких металлов в значительной мере определяется их чистотой, степенью деформации и величиной зерна.

 

Тепловое расширение. Коэффициент линейного расширения характеризует среднее относительное изменение линейного размера тела в соответствующем интервале температур.

Тугоплавкие металлы групп VA, VIA и VIIA периодической системы по сравнению с другими элементами имеют меньший коэффициент линейного расширения.

 

Наименьший коэффициент линейного расширения имеет вольфрам, что указывает на высокую стабильность его атомной решетки и является уникальным свойством этого металла.

На коэффициент линейного расширения в значительной степени влияет чистота металла.

Низкий коэффициент линейного расширения молибдена и высокая температура плавления позволяют расширить его применение в конструкциях, работающих при высоких температурах.

 

Электросопротивление. Тугоплавкие металлы обладают высоким электросопротивлением. Это связано с особенностями их электронной структуры, обусловливающей возникновение дополнительного рассеивания электронов за счет d- и s-переходов.

 

Электропроводность вольфрама примерно, в три раза меньше электропроводности отожженной меди и выше, чем у железа, никеля, платины и фосфористой бронзы. Электропроводность ниобия по сравнению с отожженной медью при 18°С составляет 13- 13,3%.

 

В зависимости от изменения температуры, давления и других параметров внешнего состояния удельное электросопротивление тугоплавких металлов- резко изменяется.

Изменение удельного электросопротивления некоторых металлов — вольфрама, молибдена, ниобия и тантала от температуры.

 

Сверхпроводимость. При низких температурах (в настоящее время ниже 18° К) некоторые металлы и сплавы приобретают способность проводить ток без сколько-нибудь заметного сопротивления. Такие тела называются сверхпроводниками.

 

Свойствами сверхпроводимости при низких температурах обладают многие тугоплавкие металлы. Максимальная температура перехода в сверхпроводящее состояние наблюдается у ниобия, а минимальная — у вольфрама, электросопротивление металлов практически равно нулю; однако при повышении температуры, даже незначительном, электросопротивление резко возрастает. Теоретического полного обоснования такого поведения металлов пока еще не дано.

 

Было найдено, что наивысшей температурой сверхпроводимости (18,7°К) обладает сплав ниобий- олово. Сверхпроводящее состояние исчезает не только от изменения температуры, но также от наложения определенного критического магнитного поля или пропускания через сверхпроводник электрического тока большой силы. Сверхпроводящее состояние металлов в сильной степени зависит от их чистоты, степени деформации, режимов термообработки и других факторов.

 

Термоэлектрические свойства. Большинство тугоплавких металлов обладает высокой термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Так, при изготовлении стабильных высокотемпературных термопар, позволяющих вести измерения свыше 2000° С, применяют вольфрам, молибден и рений.

 

Термоэмиссионные свойства. Термоэмиссионные свойства характеризуются работой выхода электронов. В изменении работы выхода электронов тугоплавких металлов имеется определенная закономерность — увеличение работы вдоль больших периодов с повышением заряда ядра.

 

Электроэмиссионные свойства металлов изменяются в зависимости от содержания примесей. Например, на эмиссию вольфрама кислород оказывает большое влияние и в несколько меньшей степени влияет на эмиссию титана, циркония, гафния. На эмиссионные свойства влияют поверхностные явления и плотность упаковки атомов: в монокристаллах по различным кристаллографическим направлениям эмиссионные свойства не одинаковы вследствие различной — плотности упаковки атомов на разных гранях металлического кристалла.

 

Значительная (в 1,5-2 раза) анизотропия эмиссионных свойств по различным кристаллографическим направлениям наблюдается у вольфрама и молибдена.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.