Удельный вес металла

При проектировании деталей и металлоконструкций необходимо знать сколько будет весить готовое изделие или сооружение. Эта характеристика важна для работы механизмов, расчетов нагрузок на опоры. Образцы одного объема и формы, выполненные из разных материалов имеют разные показатели массы, ускорения. Это же относится к сравнению металлических сплавов одной группы. Что такое удельный вес металла, как его определить?

Удельным называют вес абсолютно плотного вещества. Для измерения следует привести материал в такое состояние, в котором в структуре отсутствуют поры и посторонние включения. Расчет проводят по формуле:

Ƴ = P/V

где P — вес однородного тела, V — его объем

Принято несколько систем вычисления с разными единицами измерения.

• СГС (дин/см³): 1 дина — это сила, которая сообщает ускорение 1 см/с² телу массой в 1 г. Метод был разработан в 1832 г., позже признан сложно применимым и исключен из инженерных расчетов, но применяется до сих пор в физике и астрофизике.
• СИ (Н/м³): международная система измерения для обозначения физических характеристик, для учета используют силу тяжести в ньютонах на кубический метр объема.
• МКГСС (кГ/м³): импульс, сообщающий телу m=1 кг, ускорение, равное ускорению свободного падения, но в горизонтальной плоскости. Методика не принята стандартами ГОСТ с 60-х годов, но используется в промышленности благодаря измерительным приборам, функционирующим в МКГСС.

Эти единицы измерения легко конвертировать: 0,1 дин/см³= 1 Н/м³= 0,102кГ/м³. Для удобства вычислений в металлургии используют обозначения в кубических сантиметрах и метрах. Это зависит от ценности и расхода сырья. Иногда Ƴ путают с плотностью. Действительно, их вычисляют по похожим формулам. Однако плотность (P=m/V) рассчитывают для любых тел и веществ, и даже пространств (межгалактические и межзвездные среды), а не только для абсолютно плотных.

Величина меняется в зависимости от температуры среды. Определение “весит” указывает на силу, с которой тело воздействует на подвес или поверхность, она имеет направленный вектор: Р (в ньютонах)=mg (масса в кг*ускорение свободного падения м/с²). Там, где важна высокая точность, значение g варьируется от 9,780 на экваторе Земли до 9,82 на полюсах. Во всех остальных случаях допускается округление до 10. Масса тел постоянна.

Удельный вес цветных металлов

Цветмет — ограниченное и ценное сырье, каждый материал обладает уникальными свойствами: свинец и олово смягчают трение механизмов, алюминий легкий и безопасный, из его сплавов делают самолеты и упаковку для пищи. Величину Ƴ вычисляют в лабораторных условиях. Она соотносится с температурой плавления — фазовым переходом из твердого состояния в жидкое под воздействием нагрева и давления. В этом же терморежиме происходит и обратный процесс.

Таким образом, t плавления = t кристаллизации. 

Это совпадение возможно только для идеально чистых однородных веществ, не содержащих примесей. Именно эти цифры указывают в справочниках.

Таблица удельного веса цветных металлов

Наименование цветного металла	Химическое обозначение	Атомный вес	Температура плавления, °C	Удельный вес, г/куб.см
Цинк (Zinc)	Zn	65,37	419,5	7,13
Алюминий (Aluminium)	Al	26,9815	659	2,69808
Свинец (Lead)	Pb	207,19	327,4	11,337
Олово (Tin)	Sn	118,69	231,9	7,29
Медь (Сopper)	Cu	63,54	1083	8,93
Титан (Titanium)	Ti	47,90	1668	4,505
Никель (Nickel)	Ni	58,71	1455	8,91
Магний (Magnesium)	Mg	24	650	1,74
Ванадий (Vanadium)	V	6	1900	6,11
Вольфрам (Wolframium)	W	184	3422	19,3
Хром (Chromium)	Cr	51,996	1765	7,19
Молибден (Molybdaenum)	Mo	92	2622	10,22
Серебро (Argentum)	Ag	107,9	1000	10,5
Тантал (Tantal)	Ta	180	3269	16,65
Золото (Aurum)	Au	197	1095	19,32
Платина (Platina)	Pt	194,8	1760	21,45

Таблица удельного веса сплавов

Список сплавов металлов	Плотность сплавов (кг/м 3 )
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
Легкие сплавы алюминия — Light alloy based on Al	2560 — 2800
Легкие сплавы магния — 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 =штейн с содержанием 72-78% Cu — White metal	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

Все вещества имеют разную молекулярную структуру и межатомное расстояние, поэтому вес атома не всегда точно соотносится с удельным. Человечество научилось применять эти свойства во благо. Тяжесть золота относительно минералов позволила золотоискателям отмывать песчинки в ручье, в то время как легкие титан и алюминий дали возможность подняться в небо.

Ни один металлический элемент таблицы Менделеева невозможно получить в чистом состоянии: чистота электротехнической бескислородной меди 99,999%.

Ее применяют только в высокоточной аппаратуре, так как удаление примесей требует использования сложных технологий. Для производства проводников достаточно 99,9. Многие цветные металлы используются исключительно в сплавах: дюраль, мельхиор, бронза, латунь и др.

Марочные сплавы не имеют точной температуры плавления, только переходные диапазоны. При расчетах и проектировании показатель Ƴ= P/V не используют, но устанавливается плотность, присущая каждой марке. Например у латуни ЛМцА57-3-1  она равна 8100 кг/м³. Из этой марки производят детали для морских судов. Благодаря значению можно вычислить сколько сырья потребуется для производства партии и каждой детали в отдельности. Слитки с недостаточным соотношением массы и объема будут низкого качества, вероятно в их структуре присутствуют включения газов и оксидов.

Удельный вес чугуна

Железо — один из самых распространенных элементов в земной коре. Это важнейший конструкционный материал, стойкий к механическим нагрузкам. Из железных руд выплавляют чугун — сплав на основе железа и углерода. Если уменьшить углеродную составляющую — получится сталь.

Чистое железо, синтезированное лабораторным путем, весит 7,874 г/см³ или 7874 кг/м³. Его t плавления 1538⁰, но предварительно оно претерпевает ряд превращений по кристаллическому признаку, поэтому при выплавке чугуна достигать этого нагрева не требуется.

Ƴ чугуна вычислить невозможно, так как его физические свойства зависят от массовой доли углерода и его состояния: формирование включений графита или карбидных соединений. Для обозначения параметра используют диапазон величин, присущий типу.

• Белый: 7-7,8 г/см³ — получают в результате быстрого охлаждения расплава, структура с максимальным содержанием карбидов железа неустойчива и распадается при механических воздействиях, резких перепадах температур, излом белого цвета. Металл твердый и хрупкий, используется в качестве сырья для изготовления других марок. 
• Серый: 6,6-7,8 г/см³ — в расплав добавляют кремний, углерод выпадает из структуры и формирует включения графита между ячейками. Легирование делает чугун легче.
• Ковкий — производят путем термической обработки белых чугунных слитков. В зависимости от терморежима часть углерода образует графитовые хлопья и сплав лучше поддается пластической деформации. Стандартами установлены значения плотности для каждой марки.

В результате изменения режимов охлаждения получают промежуточные варианты. Благодаря легирующим добавкам на рынке представлены жаростойкие, антифрикционные, износостойкие, коррозионностойкие и другие чугуны. Самые легкие из применяемых марок имеют показатель P=m/V равный 6,8  г/см³, у быстрорежущих сталей он достигает 8.

Типичные физические свойства и удельный вес чугуна

Тип чугуна	Удельный вес Г/см3	Коэффициент теплового линейного расширения a·10-в 1/оС, при температурах 20-100 оС	Теплоемкость в кал/Г · оС	Остаточный магнетизм в гс	Примечание, с повышением температуры: "+" — повышается; "-" — понижается
Белый	7,5±0,2	8±2	0,13±0,02	5000±1000	«-»
Серый	7,1±0,2	10±2	0,12±0,02	5000±1000	«+»
Ковкий	7,3±0,1	11±1	0,12±0,02	5000±1000	«-»

Вывод

Удельный вес — это сила воздействия на подвес или поверхность, рассчитанная в ньютонах для тела из абсолютно плотного вещества, не имеющего в своем составе посторонних включений.

На практике такого состояния достичь невозможно. Лабораторная величина соотносится со строением атома, типом кристаллической решетки. 

При создании марок черных и цветных металлов знание Ƴ помогает заранее вычислить плотность новой разработки. Значение  необходимо в научных и промышленных отраслях, в точном конструировании, компьютерном моделировании. Установленные показатели в килограммах на кубический метр представлены в стандартах ГОСТ, для удобства расчета закупок и распределения металлопроката можно использовать специальные онлайн-калькуляторы, или зная форму полуфабриката, посчитать объем затраченного сырья по геометрической формуле. Так, при продаже арматуры применяют тоннаж, для ювелирных изделий указывают граммы.

Для удобства воспользуйтесь нашим марочником стали.

[include_post id=»22015″]