Какой металл не нагревается

Обновлено: 15.05.2024

Примеси, содержащиеся в меди (и, естественно, взаимодействующие с ней), подразделяют на три группы.

Образующие с медью твердые растворы

К таким примесям относятся алюминий, сурьма, никель, железо, олово, цинк и др. Данные добавки существенно снижают электро- и теплопроводность. К маркам, которые преимущественно используются для производства токопроводящих элементов, относятся М0 и М1. Если в составе медного сплава содержится сурьма, то значительно затрудняется его горячая обработка давлением.

Не растворяющиеся в меди примеси

Сюда относятся свинец, висмут и др. Не влияющие на электропроводность основного металла, такие примеси затрудняют возможность его обработки давлением.

Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения

К этой группе относятся сера и кислород, который снижает электропроводность и прочность основного металла. Наличие серы в медном сплаве значительно облегчает его обрабатываемость при помощи резания.

ПРУЖИННЫЕ СПЛАВЫ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ

Складскую справку можно скачать здесь

ВВЕДЕНИЕ

Пружинные сплавы относятся к особой группе в основном металлических материалов, обладающих кроме обязательных для них высоких механических свойств, получаемых либо холодной пластической деформацией, либо методами дисперсионного упрочнения [1], еще и величиной сопротивления малым пластическим деформациям, или пределом упругости. Читать далее →

Таблица теплопроводности металлов и сплавов

Температуропроводность металлов

В таблице представлены значения коэффициента температуропроводности чистых металлов в зависимости от температуры. Температуропроводность металлов указана в интервале температуры от -250 до 1600°С в размерности м 2 /с.

Рассмотрены следующие металлы: алюминий, кадмий, натрий, серебро, калий, никель, свинец, кобальт, бериллий, литий, сурьма, висмут, магний, цинк, вольфрам, олово, сурьма, железо, платина, золото, медь, родий, молибден, тантал, иридий.

По значениям температуропроводности в таблице можно выделить металлы с наибольшим и наименьшим значением этого свойства. Наименьшей температуропроводностью обладает такой металл, как висмут, его коэффициент температуропроводности при температуре 50°С равен 6,8 м 2 /с. Температуропроводность чистого серебра равна 158,3 м 2 /с при 100°С. Этот металл имеет наиболее высокое значение этой характеристики.

Следует отметить, что по мере роста температуры металла, величина его температуропроводности уменьшается, за исключением платины и кобальта.

Источник:
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.

Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al

отсюда

Теплопроводность и плотность алюминия

В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).

Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.

Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).

Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения.
Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.

Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м 3 , а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м 3 . Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.

Теплопроводность сплавов меди. Температура плавления латуни и бронзы

Теплопроводность латуни и бронзы

В таблице приведены значения теплопроводности латуни, бронзы, а также медно-никелевых сплавов (константана, копели, манганина и др.) в зависимости от температуры — в интервале от 4 до 1273 К.

Теплопроводность латуни, бронзы и других сплавов на основе меди при нагревании увеличивается. По данным таблицы, наибольшей теплопроводностью из рассмотренных сплавов при комнатной температуре обладает латунь Л96. Ее теплопроводность при температуре 300 К (27°С) равна 244 Вт/(м·град).

Также к медным сплавам с высокой теплопроводностью можно отнести: латунь ЛС59-1, томпак Л96 и Л90, томпак оловянистый ЛТО90-1, томпак прокатный РТ-90. Кроме того, теплопроводность латуни в основном выше теплопроводности бронзы. Следует отметить, что к бронзам с высокой теплопроводностью относятся: фосфористая, хромистая и бериллиевая бронзы, а также бронза БрА5.

Медным сплавом с наименьшей теплопроводностью является марганцовистая бронза — ее коэффициент теплопроводности при температуре 27°С равен 9,6 Вт/(м·град).

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

складскую справку скачать можно здесь

отсюда

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда. Читать далее →

Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло. Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними. В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).

Понятие теплопроводности

за одну секунду;
через площадь один метр квадратный;
на расстояние один метр;
когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.

Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот. Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).

Перенос тепла на молекулярном уровне

Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества. Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах. Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.

Теплопроводность материалов

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

сталь 47—58;
алюминий 237;
медь 372,1—385,2;
бронза 116—186;
цинк 106—140;
титан 21,9;
олово 64,0;
свинец 35,0;
железо 80,2;
латунь 81—116;
золото 308,2;
серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

стекловолокно 0,03—0,07;
стекло 0,6—1,0;
асбест 0,04;
дерево 0,13;
парафин 0,21;
кирпич 0,80;
алмаз 2300.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.

Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла. Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

17. 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 теплопроводность17б 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.

Создан материал, который проводит электричество, но не нагревается

Хорошо известно, что различного рода металлы, способные проводить электричество, в то же время довольно сильно нагреваются. Это обусловлено целым рядом химических и физических свойств материалов, но электро- и теплопроводность почти всегда «идут рука об руку». Однако, как мы знаем, в нашем мире нет ничего ничего не возможного. Например, как передает редакция издания Sciencealert, группа исследователей из лаборатории Университета Беркли (США) смогла создать металл, который отлично проводит электричество, но при это не нагревается.

Создан материал, нарушающий физические законы?

Какой металл обладает уникальными свойствами?

Как сообщают ученые, новый металл (а точнее соединение металла), что проводит электричество, не проводя тепла бросает вызов нашему нынешнему пониманию того, как работают проводники. Так как само его наличие противоречит тому, что называется законом Видемана-Франца. Если не вдаваться в подробности, то данный физический закон утверждает, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла. Этим объясняется, например, то, что приборы, использующие для своей работы электричество, со временем нагреваются. Но не будем больше оттягивать интригу. Команда ученых из США показала, что данное явление не наблюдается в оксиде ванадия, который обладает странной способностью «переключаться» с материала, являющегося изолятором, на проводящий металл при температуре 67 градусов Цельсия.

Это было совершенно неожиданное открытие, — сказал ведущий исследователь Джункуао Ву из отдела материаловедения Лаборатории Беркли. Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного принципа работы новых проводников. Новое неожиданное свойство не только изменяет то, что мы знаем о проводниках, но и может быть невероятно полезным. Например, металл однажды может быть использован для преобразования отработанного тепла от двигателей и приборов обратно в электричество.

Так что никаких физических законов оксид ванадия не нарушает. Стоит заметить, что исследователи уже знали о нескольких других материалах, которые проводят электричество лучше, чем тепло, но они проявляют эти свойства только при температурах ниже нуля, что делает их крайне непрактичными для применения в реальной жизни. Оксид ванадия, с другой стороны, обычно является только проводником электричества при плюсовых температурах выше комнатной температуры, что означает, что он имеет быть намного более практичным. Чтобы открыть это странное свойство, команда изучила, как электроны движутся в кристаллической решетке оксида ванадия, а также то, сколько тепла в этот момент генерируется.

Удивительно, но они обнаружили, что теплопроводность, которую можно было бы приписать электронам в материале, была в 10 раз меньше той величины, которая предсказывалась законом Видемана-Франца. Причина этого, по-видимому, заключается в способе перемещения электронов через материал.

Электроны двигаются синхронно друг с другом. Как жидкость, а не как отдельные частицы, что наблюдается в обычных металлах. Для электронов теплопроводность — это случайное движение. Обычные металлы переносят тепло эффективно, потому что существует много различных возможных микроскопических конфигураций поведения электронов и они могут хаотично перемещаться. А вот скоординированное движение электронов в диоксиде ванадия наносит ущерб теплопередаче, поскольку существует меньше «возможностей для движения». При этом электропроводность в данном случае не страдает.

Интересно, что когда исследователи смешали оксид ванадия с другими металлами, они смогли «настроить» количество электричества и тепла, которое он может проводить, что может быть невероятно полезно для будущих применений. Например, когда эксперты добавили металл под названием вольфрам к оксиду ванадия, они сделали его лучшим теплопроводником. Хотите узнать больше новостей из мира высоких технологий? Подписывайтесь на нас в Яндекс.Дзен.

Настраивая таким образом теплопроводность, материал может эффективно применяться для автоматического рассеивания тепла в жаркое лето, потому что он будет иметь высокую теплопроводность, но предотвращать его потерю в холодную зиму из-за низкой теплопроводности при более низких температурах.

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов - один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

вида металла;
химического состава;
пористости;
размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

кухонная посуда с различными свойствами;
оборудование для пайки труб;
утюги;
подшипники качения и скольжения;
сантехническое оборудование для подогрева воды;
приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Жаропрочные и жаростойкие что это за стали — 5 основных типов

Сталь, классифицирующая как жаропрочная, рекомендуется для изготовления конструкций не только находящихся под влиянием высоких температур, но и работающих в иных агрессивных условиях.

Рассмотрим, что же из себя представляют жаропрочные стали, на какие классы и марки подразделяются, и как выбрать оптимальный вариант для собственных нужд.

Жаропрочность и жаростойкость металла

Жаростойкие стали обладают таким ценным свойством как жаростойкость или если говорить простым языком, то они сохраняют свои свойства при высоких температурах. Второе название данного свойства – «Окалиностойкость». Основная ценность такой стали заключается в том, что она способна длительное время сохранять структуру своей кристаллической решетки в условиях воздействия высоких температур.

Стандартные жаропрочные стали имеют верхний температурный предел от 500 до 550 градусов и способны эффективно сопротивляться температуре только до этого предела. Далее на поверхности металла начинает образовываться оксидная пленка (окалина), что становится первым шагом к разрушению металла.

Не рекомендуется применять простые жаропрочные стали для изготовления конструкций, находящихся под сильной динамической нагрузкой.

Понятие жаропрочности

Жаропрочные стали изготавливаются методом химического взаимодействия основного состава с оксидами хрома, кремния или алюминия. Структура кристаллической решетки, полученная путем взаимодействия атомов двух элементов, сохраняет свою плотность даже в условиях воздействия открытого огня.

Количественные показатели и процентное соотношение добавок в сталях рассчитывается по формуле исходя из предполагаемых условий эксплуатации изделия. На производстве предпочтение отдается металлу, изготовленному из сплава главным компонентом, которого является хром.

Чем большее количество хрома в составе соединения, тем более жаропрочным получается сплав. Удается добиваться показателей, при которых металл переносит температуру более 1000 градусов и не теряет своих свойств.

Основные типы

Все жаропрочные и жаростойкие стали разделены на три условных группы. Группы отличаются химическим составом, способностью противостоять температуре и методикой производственного процесса.

К первой группе относятся все сплавы, выполненные с добавлением хрома, марганца, молибдена, титана или вольфрама. Так же к первой группе относится сталь с добавлением бора, ванадия или ниобия. Такие сплавы тоже имеют жаропрочные свойства, но из-за дороговизны производства используются редко.
Ко второй группе относятся сплавы на основе кальция, серия и еще ряда химических элементов сходных по структуре. Комплексное количество присадок в таких металлах может достигать 50%.
Третья группа характеризуется введением в консистенцию углерода, молибдена и кобальта.

Аустенитный класс

Аустенитные сплавы пользуются популярностью благодаря своим свойствам. Помимо способности эффективного сопротивления температуре вплоть до 1000 градусов, полученный жаропрочный сплав обладает ярко выраженными антикоррозийными свойствами.

Структура металла поддерживается путем добавления в сплав 10-15 процентов никеля, который удерживает атомы кристаллической решетки и не дает металлу понизить прочностные качества.

Хром придает устойчивость к температуре и не разрушает структуру, незначительные добавки стабилизирующих элементов – углерода, титана или ниобия успешно работают на поддержание антикоррозийных свойств.

Структура аустенитов

Жаропрочные аустенитные сплавы в зависимости от типа химической структуры бывают двух видов:

гомогенный. Материалы данного типа не предназначены для высоких температур и слабо переносят длительное воздействие жара. Максимальный предел температуры – 500 градусов. Тип материалов обусловлен отказом от термообработки и малым количеством углеродных включений;
гетерогенный. Данный тип материалов проходит две фазы термической обработки, что повышает его жаростойкость до 700 градусов. Карбидные фазы работают на сохранение устойчивости к деформациям и большим нагрузкам в период нагревания. Максимальная температура гетерогенного ряда – 1700 градусов, такой предел возможен при добавлении в сплав более 50% молибдена.

Аустенитно ферритный класс

Сплав полученный на основе смеси фаз аустенитов и ферритов является высоколегированным и стабилизированным сплавом. Чрезвычайно трудно обрабатываемый металл. Применяется для построения дымоотводных каналов, выхлопных труб автомобилей и конструкций, работающих с сильным температурным воздействием.

При производстве критически важных изделий на основе подобных сталей, используются сплавы, матрица которых усиливается дисперсионным твердением и добавлением таких элементов как карбид и его образующие. Метал подобных изделий не образует хрупкой окалины и устойчив к динамическим нагрузкам и деформации.

Мартенситный класс

Мартенситный класс жаропрочной стали характеризуется особым процессом изготовления и обработки. Суть его в том, что вначале металл закаливают высокой температурой, после которой «отпускают» в специальной камере. Итогом такого процесса является значительное повышение способности к сопротивлению температуре, но падение упругости.

На первом этапе сплав нагревают до 1200 градусов и стабилизируют его в течение 5 часов с последующим постепенным остыванием в примерно такой же временной интервал

На втором этапе процесс повторяется с тем отличием что стабилизация и «отпуск» проходит под воздействием температуры в 1000 градусов.

Перлитный класс

Перлитные стали относятся к категории низколегированных термостойких сплавов. В первую очередь они нацелены на сохранение структуры и свойств самого металла, а уже потом на его жаропрочные свойства.

Из стали перлитного класса изготавливаются детали и изделия промышленного назначения по условиям эксплуатации, не допущенные к работе при температуре свыше 400 — 500 градусов. Незначительного повышения жаростойкости можно добиться путем добавления в металл хрома и ванадия, в этом случае температурный предел поднимается до 600 – 650 градусов.

Если совместно с легированием применить технологию нормализации, то можно значительно улучшить прочность металла и его механические свойства.

Ферритный класс

Ферритные сплавы или металлы ферритного класса характеризуются высоким содержанием в своем составе хрома. Как правило, в ферритных сплавах его процентное соотношение достигает 35%.

Металлы данного класса подвергаются особому виду термической обработки – «обжигу». Такой вид подготовки позволяет получить зернистую структуру металла и значительно увеличить температурный предел работы металла.

Металлы ферритного класса способны эффективно переносить длительное нахождение под воздействием высокой (до 800 градусов) температуры. Дальнейшее повышение жаропрочности методом присадок и легирования не рекомендуется в связи с тем, что температурный предел повышается незначительно, а хрупкость изделий возрастает в несколько раз.

Мартенситно ферритный класс

Жаропрочный металл производимый из сплавов мартенситно-ферритного класса имеет среднюю устойчивость и содержит целый пакет дополнительных присадок – хром, вольфрам и ванадий.

Из него изготавливаются такие детали как лопасти паровых турбин, центрифуг, теплообменных сетей и активного оборудования ТЭЦ.

Металл хорошо подходит для изделий любого типа спланированных к эксплуатации в условиях непрерывного воздействия температур в диапазоне от 500 до 600 градусов и умеренных механических нагрузок.

В отдельных случаях, для повышения антиокислительных свойств в металл могут добавлять никель. Он способствует образованию на поверхности готовых изделий непроницаемой пленки и препятствует губительному воздействию кислорода.

Сплавы на основе никеля

Несмотря на то, что сплав легирован никелем, основным компонентом металла является все равно хром. Именно он придает смеси свойства жаропрочности и жаростойкости. В зависимости от количества базовых присадок сплавы на основе никеля могут быть как жаропрочными, так и жаростойкими.

Их устойчивость к перегреву обусловлена химическому процессу образования на поверхности металла оксидной пленки. Оксидная пленка состоит из фракций алюминия и хрома или алюминия и никеля.

Как правило такой металл применяют при изготовлении систем газовых турбин, трубопроводов и нагревательных элементов, деталей конструкции компрессоров и нагнетателей.

Химический состав

Однозначной формулой сложно описать всю суть протекающего химического процесса. Все дело в том, что формула учитывает исключительно основной состав металла и легирующие его добавки.

В действительности же, жаростойкие сплавы имеют в своем составе не только то что добавляется в процессе производства, но и не учитываемые продукты протекающих внутри химических реакций, отложения и выпадающие осадки. Получающиеся в процессе контролируемой химической реакции примеси в значительной мере ухудшают свойства металла.

В особенности большой вред наносят отложения серы. Всего лишь 0,003% серы в составе сплава способны полностью свести на нет все полезные свойства.

Структура и свойства

Не столько и не только химический состав консистенции влияет на жаростойкость полученного металла. Важную роль играет и форма, и агрегатное состояние в котором находятся легирующие примести до их включения в состав.

Химическая чистота присадок влияет на результат так же, как и ее количество. Никель и хром придают металлу жаропрочные свойства только при условии их полной очистки. Включение небольшого количества серы снижает температуру плавления металла, но и снижает его ползучесть.

«Ползучесть» — выведенный формат определения качественного состояния жаропрочности металла. Простыми словами ползучестью называется способность к разрушению структуры под действием температуры. И чем ползучесть ниже, тем качественнее считается металл.

Что влияет на жаропрочность

При стандартном производстве получить жаропрочный сплав можно только при соблюдении трех основных условий.

Термическая закалка, производимая в один или два этапа. Подразумевает постепенный нагрев до определенной температуры, удержание (стабилизация) в несколько часов и постепенное охлаждение. Правильное охлаждение выполняется в водяной бане или на открытом воздухе под контролем падения температуры.
Добавление в состав металла присадок, сохраняющих структуру металла и не допускающий возникновения интеркристаллической коррозии. Чаще всего в качестве таких присадок применяются ниобий или титан.
Точный расчет основного компонента. Основным компонентом является хром, от его количества зависит жаростойкость и способность к сопротивляемости окислению. В большинстве случаев хром составляет от 10 до 13% от всей массы металла.

Сферы применения

В связи с большим количеством жаропрочных сплавов, представленных на рынке, их эксплуатация и применение во многом определяется по составу входящих в сплавы присадок и дополнительных легирующих компонентов.

Рассмотрим основные сферы применения жаростойких металлов в зависимости от состава химических элементов:

AISI-314. Основная сфера применения – стенки и корпусные элементы печных конструкций. Достоинство сплава – высокая степень тугоплавкости;
AISI-310. Используется для производства двигателей внутреннего сгорания, нагруженных элементов моторов и турбин;
AISI-310S. Чаще всего востребована на производстве газоотводных трубопроводов, участков системы выхлопных труб и транспортных труб инертных газов;
AISI-309. Универсальный сплав, хорошо подходит как для изготовления печей, так и для производства других элементов, работающих в условиях повышенных температур.

Марки нержавеющей стали для изготовления дымоходов

При изготовлении или приобретении дымохода необходимо точно знать материал. Часто в свободной продаже можно встретить дымоход по цене в два, а то и три раза ниже рыночной. Стоит учитывать, что вероятнее всего такое изделие изготовлено из стали марки AISI 201 которая относительно недорогая, но при этом не отвечает всем требованиям для дымоходов.

Лучше всего для этой цели подойдет жаропрочная сталь марки AISI-309. Основное ее отличие от более дешевой 201-й версии в том, что у нее практически отсутствует риск деформации и возникновения термических трещин и разрывов.

Оба варианта стали немагнитны и неотличимы визуальным методом. Для их идентификации нужно проверять сопроводительные документы или же проводить сложный химический анализ.

Нержавеющие стали для пищевой индустрии

Жаропрочная нержавеющая сталь, имеющая свойства сопротивления коррозии, имеет массу преимуществ в изготовлении посуды и принадлежностей, контактирующих с пищей.

Разберем основные из них:

внешний вид. Хорошо отполированная сталь имеет привлекательный внешний вид и красиво смотрится в качестве готовых изделий;
прочность. Нержавеющая сталь трудно обрабатывается, но и трудно деформируется. Благодаря заложенной прочности можно изготавливать тонки элементы посуди и сервировки способные выдерживать большую нагрузку;
соответствие установленным нормам гигиены и СанПиН(а). Сталь имеет настолько плотную структуру, что при должной обработке и шлифовке практически не остается раковин где может задержаться грязь;
отсутствие эффекта коррозии. Основное преимущество нержавейки. Изготовленная из нее посуда не поддается окислению даже при длительном контакте с водой.

Основные марки стали применяемые в пищевой индустрии представлены в таблице.

Какая марка стали лучше для банной печки

Жаропрочная и коррозионностойкая сталь для печи должно не просто сопротивляться воздействия высокой температуры, но и выдерживать длительное воздействие открытого огня. Наиболее часто встречающаяся неисправность банной печи – прогорание стенок.

Для устранения проблемы можно конечно просто использовать толстостенную сталь, не вникая в ее свойства и химический состав. В принципе, это будет вполне рабочий способ, но не лишенный недостатков:

во-первых – такая сталь все равно будет окисляться и на ее поверхности будет появляться все увеличивающийся слой окалины, что помимо неприглядного внешнего вида рано или поздно приведет к прогоранию;
во-вторых – печь из толстого металла будет очень долго протапливаться и требовать в разы больше топлива для набора необходимой температуры.

Как показывает практика, лучше всего для банной печи подходит легированная сталь марки AISI-430, которая обладает всеми необходимыми качествами и долгим сроком службы.

Расшифровка марок

Маркировка жаропрочной стали, в том числе и металлов для печей имеет буквенно-цифровой вид. Каждый символ маркировки несет информацию о содержании в сплаве определенного химического элемента.

Двузначный числовой показатель как правило ставится в начале маркировки и дает информацию о процентном соотношении углерода. Буквенные символы указывают на находящийся в сплаве химический элемент и его процент (указан цифрами сразу после буквы).

Расшифровка буквенного обозначения представлена на таблице.

Оптимальная толщина металла для печи в баню

Для определения какую толщину металлического листа выбрать для изготовления банной печи, стоит обратить внимание на два фактора.

Теплопроводность стали. Чем толще сталь, тем больше энергии необходимо затратить для ее нагрева и поддержания температурного режима. Исходя из практического опыта считается, что использование для печи стальных листов толще 8 миллиметров экономически не целесообразно.
Огнеупорность. Если планируется эксплуатировать печь более 3 лет, то не стоит применять сталь в 4 мм. Такая печь будет очень быстро нагреваться, но прогорит менее чем через год интенсивного использования.

Исходя из вышеуказанного, специалисты понимают, что применять для печи лучше сталь марки AISI-430 с толщиной стенки 5-6 мм.

Какими электродами надо варить банную печь

Если стоит вопрос о самостоятельном изготовлении банной печи, то нельзя упускать из внимания и вопросы сварки. Нержавеющая, жаропрочная сталь варится особым видом электродов марки ЦЛ11 или аналогом – Д4.

Обязательным условием работы является химическая протравка сварного шва. Если упустить данный момент, то в местах сварки возможно появление коррозии и как следствие преждевременное разрушение конструкции.

Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди

Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

Молекул.
Атомов.
Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях. При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод. Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии.
При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

Читайте также: