1.5. Физико-химические свойства материалов

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учи­тывают при практическом использовании материалов, являются плот­ность, теплоемкость, теплопро-водность, тепловое расширение, электро­проводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключи­тельной ценности - ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и хими­ческим составом материалов, температурой и давлением. Для большин­ства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

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 температур ∆Т; β - температурный коэффициент. Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур 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 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 его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями. Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и дру­гих пористых материалов она является одним из критериев качества. По­ристость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами. Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного маши­ностроения. Чем меньше плотность материалов, 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_B / γ∙g и удельной жесткости E / γ∙g. По этим характеристикам первое место зани­мают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям.

При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового рас­ширения.

Тепловое расширение - это изменение объема (линейных размеров) тела при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несим-метричность тепловых колебаний ато­мов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние меж­атомные расстояния.

Для практических целей пользуются средними значениями коэффи­циентов объемного и линейного α_ℓ расширения:

α_v = ; α_ℓ = ,

где V,ℓ - объем и длина образца соответственно; ∆V, ∆ℓ - изменения объема и длины при повышении температуры на ∆T.

В общем случае:

β = α₁ + α₂ + α₃,

где α₁; α₂ и α₃ - соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла .

Различие значений коэффициента теплового расширения двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений. Согласование значений α при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в стекла. Получаемые спаи отличаются простой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовления аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуатации машин и приборов в изменяющихся температурных полях.

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:

q = - λgradT,

где q - плотность теплового потока, Дж/м²∙с; λ - теплопроводность, Вт/(м∙К).

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

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 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.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше 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.

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

λ _пор ≈ λ (1 - р),

где λ - теплопроводность беспористого материала, Вт/(м∙К); р - доля пор в объеме пористого материала.

Теплоемкость - это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость - количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. У большинства металлов теплоемкость составляет 300 - 400 Дж/(кг∙К) и более. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры.

Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг ∙ К) и более.