4.3. Физические свойства материалов

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учитывают при практическом использовании материалов, являются плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и химическим составом материалов, температурой и давлением.

Различают зависимые и независимые ( определяются только химическим составом и температурой) от структуры материала физические свойства. Для большинства процессов обработки давление не превышает 500Мпа. Такое давление практически не влияет на значения физических свойств.

При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Приближенно они характеризуются соответствующими температурными коэффициентами. Например, удельное электросопротивление ρ при нагреве на ∆Т определяется зависимостью:

ρ_Т = ρ₀(1+β∆Т),

где ρ₀, ρ_Т - удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала ∆Т; β – температурный коэффициент.

Так как значения температурного коэффициента малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких приделах температуры с достаточной для практических целей точностью.

Плотность существенно зависит от типа межатомной связи. Максимальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлическими или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределяет менее плотное расположение атомов.

У металлов плотность (γ) изменяется от 22,5 г/см³ у осмия до 0,534 г/см³ у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа увеличивает, а более легкими - уменьшает плотность.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и других пористых материалов она является одним из критерия качества. Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного машиностроения. Чем меньше плотность металла, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины.

Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности σ_в/γg (σ_в- временное сопротивление, γ – плотность (г/см³)) и удельной жесткости E/ γg, (E – модуль упругости 1 рода, определяется по диаграмме растяжения). По этим характеристикам первое место занимают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дюралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям. При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового расширения.

Тепловое расширение (α) – это изменение объема (линейных размеров тела) при повышении температуры и постоянном давлении.

В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния: α_V=1/V*ΔV/ΔT,

α_l=1/l*Δl/ΔT,

где V и l – объем и длина образца, ΔV и Δl – изменения объема и длины при повышении температуры на ΔT (К^-1).

В общем случае:

β=α₁+α₂+α₃,

где α₁, α₂, α₃ –коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла.

Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные полимеры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы.

Создание текстуры в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражаются на значениях коэффициентов линейного расширения: они существенно различаются в направлениях преимущественной ориентации и в поперечном направлении.

Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмолекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличию водородных и химических связей между молекулами.

Тепловое расширение стекол по мере повышения содержания щелочных оксидов Ме₂О возрастает от α=0.56*10^-6 К^-1 у кварцевого стекла до α<6*10^-6 К^-1 у твердых стекол и α>6*10^-6 К^-1 у мягких стекол (промышленные стекла).

Различие значений коэффициентов теплового расширения двух соединяемых материалов является причиной значительных термических напряжений. Согласование значений α при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в стекла. Полученный спай отличается простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Работа материала при повышенной температуре и меняющихся напряжениях сопровождается появлением трещин и разрушений, даже если это высокопластичные материалы. Наиболее стойкими к термической усталости и разрешению при термических ударах являются материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц.

Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к более холодным и подчиняется закону Фурье:

g = -λgradT,

где g – плотность теплового потока, Дж/м², λ- теплопроводность, Вт/(м²*К).

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала.

Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами (кванты упругих колебаний частиц), т.е.:

λ = λ_э + λ_ф.

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 незначительных концентрациях носителей заряда теплопроводность 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 решетки рассеивают фоны и увеличивают электросопротивление.

Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами и фононами облегчена, по сравнению с аморфным состоянием (табл. 2.2).

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность по сравнению с чистым металлом.

Дисперсные смеси нескольких фаз уменьшают теплопроводность. Структурные смеси с равномерным распределением частиц имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплорегуляторами.

Теплопроводность пористых керамических и металлических материалов независимо от типа межатомной связи можно оценить по формуле:

λ _пар= λ(1-р), Вт/(м*К)

где λ – теплопроводность беспорового материала, Вт/(м*К),

р – доля пор в объеме беспорового материала.

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

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность (50-70 Вт/м*К). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при этой же объемной доле имеет теплопроводность 25-40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше.

Таблица 4.2

Теплопроводность кварцевого стекла, кварца,

поликристаллических и жидких металлов

Материал	ToC	λ, Вт/м*К
Кварцевое стекло Кварц* Алюминий** Свинец** Цинк**	-200 -100 0 100 -200 -100 0 100 ~650 ~327 ~419	0,93 1,56 1,90 2,08 39,8/100,3 17,3/34,5 10,4/19,0 6,9/12,1 85/225 15/31 60/93

* В числителе – в перпендикулярном, в знаменателе – в параллельном оси направлении. ** В числителе – в расплавленном, в знаменателе – в поликристаллическом состоянии.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов снижаются.

Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту.

Теплоемкость – способность вещества поглощать теплоту при нагреве.

Удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на 1^о, Дж/ кг·К.

У большинства металлов теплоемкость составляет 300-400 Дж/ кг·К и растет с увеличением температуры.

Тугоплавкие металлы характеризуются низкими значениями теплоемкости (134 у W и 254 у Мо), а легкие - высокими (896, 1017, 1750 Дж/ кг·К у Al, Mg, Be, соответственно). У металлических сплавов теплоемкость очень сильно варьирует (100-2000 Дж/кг·К). Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/кг·К и более.

Электрические свойства материалов - электропроводность и электросопротивление зависят от носителей зарядов – электронов или ионов, и свободы их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электропроводимость 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 электропроводности: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типами связи – отрицателен. При нагреве металла концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их давлению возрастает из-за увеличения амплитуды колебаний атомов. В материалах с ковалентным и ионным типами связи концентрация носителей зарядов возрастает настолько, что нейтрализуется влияние помех от влияния атомов. По этой причине удельное электросопротивление таких материалов при нагреве снижается. Начиная с (0.8-0.9) Т_пл концентрация носителей заряда становится большой, а сами материалы становятся проводящими.