Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность 17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.

18. Дилатометрия. Магнитные свойства металлов и сплавов. Методы определения

Дилатометрия – раздел физики; основная задача: изучение влияния внешних условий (температуры, давления, электрического, магнитного полей, ионизирующих излучений) на размеры тел. Главный предмет изучения: тепловое расширение тел и возникающие при этом аномалии.

Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров тела – тепловое расширение. Если эти изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов вследствие повышения температуры, то при возвращении температуры к прежнему уровню восстанавливаются и исходные размеры тела. Если же в теле при нагреве (или охлаждении) происходят фазовые превращения, то изменения размеров могут быть необратимыми. Изменения размеров тел, связанные с нагревом и охлаждением, изучают на специальных приборах – дилатометрах.

Дилатометрический метод – это метод, при помощи которого определяются критические точки металлов и сплавов, изучаются процессы распада твердых растворов, а также устанавливаются температурные интервалы существования упрочняющих фаз. Достоинство этих приборов – высокая чувствительность и независимость показаний от скорости изменения температуры.

Высокую чувствительность электрических методов измерения широко используют при исследовании фазовых превращений, дефектов тонкой структуры и других явлений, происходящих в металлах и сплавах, которые невозможно изучать другими методами исследования. Электрическое сопротивление измеряют с помощью различных мостовых схем, а также компенсационными методами. Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов. Магнитный анализ широко применяют при решении задач практического металловедения, например, таких, как исследование влияния на структуру режимов термической обработки, деформации, легирования. Возможно использование магнитного анализа и для решения некоторых более сложных задач физического металловедения.

Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно рассчитать коэффициенты диффузии с высокой точностью, в том числе и при низких температурах, где никакой другой метод неприменим; определять изменение концентрации твердых растворов; распределение примесей; получить информацию о фазовых и полиморфных превращениях и изменениях дислокационной структуры.

Магнитотвердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1 % С, легированные хромом (3 %) ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легирующие элементы повышают коэрцитивную и магнитную энергию.

В промышленности широкое применение получили сплавы типа алнико. Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем, затем проводят шлифование.

Материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики в зависимости от того, какова степень их магнитной восприимчивости и каков их знак.

Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость. Их намагничивание направлено противоположно приложенному магнитному полю. Это приводит к ослаблению данного поля. Диамагнетиками являются полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), некоторые непереходные металлы (Be, Cu, Ag, Pb).

Парамагнетики обладают низкой намагниченностью, которая возникает под воздействием внешнего поля. Парамагнетиками являются K, Na, Al и переходные металлы Mo, W, Ti.

Феромагнетики отличаются высокой магнитной восприимчивостью. К ним относятся: железо, кобальт, никель и гадолиний. Характеристики: остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс и магнитная проницаемость м = В/Н.

Остаточная индукция – магнитная индукция, которая остается в образце в результате его намагничивания и дальнейшего размагничивания.

Коэрцитивная сила – напряженность магнитного поля обратного знака, прилагаемая к образцу с целью его размагничивания.

Магнитная проницаемость является основной характеристикой интенсивности намагничивания. Определив тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f(H), можно высчитать магнитную проницаемость. Сплав ЮНДК15 содержит 18–19 % Ni, 8.5–9.5 % Al, 14–15 % Co, 3–4% Cu.

Магнитомягкие стали (электротехническая сталь) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79НМ, 81НМА) применяютдля изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей и др.

Парамагнитные стали (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9Х3ЮФ2 и др.) требуются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники.

Недостаток этих сталей – низкий предел текучести (150-350МПа), что затрудняет их использование для высоко нагруженных деталей машин.