Какие существуют физические свойства

Физические свойства – внутренние, присущие данному материалу или веществу особенности, обусловливающие их различие или общность с другими веществами или материалами и проявляющиеся как ответная реакция на воздействие внешних физических полей или сред.

Физические свойства, определенные стандартными методами с указанием состава, строения и структур, представляют собой стандартные справочные данные веществ и материалов. Порядок разработки и аттестации стандартных справочных данных о физико-химических константах и свойствах веществ и материалов установлен в Правилах по межгосударственной стандартизации (ПМГ 28-99).

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учи­тывают при практическом использовании материалов, являются плот­ность, теплоемкость, теплопроводность, 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 межатомных и межмолекулярных связей, 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 r при нагреве на ΔТ определяется зависимостью:

rТ = r0 (1 + b ΔТ), (4.1)

где r0, rТ− удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур ΔТ; b − 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− мера количества вещества (m) в единице объема (V) кг/м3
ρ= т/V. (4.2)

Плотность, определенная для однородных веществ, может рас­сматриваться как теоретическая. Плотностью, близкой к теоретиче­ской, обладают, как правило, металлы, жидкости, некоторые полиме­ры и др. Для неоднородных веществ используют понятие «объемная плотность».

Объемная плотность − величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты.

Объемную плотность ρср. вычисляют по формуле:

ρср.= m/Ve , (4.3)

где Ve− объем вещества в естественном состоянии.

Для инженерных расчетов используются понятия «относи­тельная плотность» и «насыпная плотность».

Относительная плотность представляет собой отношение плотности вещества ρ к плотности эталонного вещества ρэтпри опре­деленных внешних условиях:

ρот = ρ / ρэт.. (4.4)

Плотность твердых и жидких материалов обычно сравнивают с плот­ностью воды при температуре 4°С (1000 кг/ м3).

Насыпная плотность ρн — масса единицы объема свободно на­сыпанных дисперсных материалов (например, цемент, песок, мине­ральная вата и др.)

Плотностьсущественно 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 и удельной жесткости. 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 объёма (линейных размеров тела) при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния.

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

(4.5)

где V, l — объем и длина образца соответственно; ΔV, Δl изменения объёма и длины при повышении температуры на ΔТ.

В общем случае

b = a1 + a2 + a3, (4.6)

где a1, a2 и a3 — соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Значение коэффициента линейного расширения a • 106 , К-1

Для кристаллов кубической системы, а также для стекла и других изотропных материалов с аморфной структурой b = 3a. В кристаллах с низкой симметрией отдельные слагаемые коэффициента объемного рас­ширения могут принимать отрицательные значения. При поляризации атомов и появлении дальнодействующих составляющих межатомного вза­имодействия коэффициент b становится отрицательным. Например, гер­маний при нагреве от 15 до 40К не расширяется, а сжимается. Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные поли­меры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы.

Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромоле­кул в полимерах отражаются на значениях коэффициента линейного рас­ширения: они существенно различаются в направлении 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 a =0,56 · 10-6 К-1 − у кварцевого стекла до a < 6 ·10-6 К-1 − у так называемых твердых стекол и a > 6 · 10-6 К-1 − у так называемых мягких стекол, к которым относится большая часть промышленных стекол (a = (6 … 9) · 10-6 К-1).

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

Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовлении аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуата­ции машин и приборов в изменяющихся температурных полях. У боль­шинства материалов при повышении температуры коэффициенты тепло­вого расширения увеличиваются. При термоциклировании или частых колебаниях температур в изделиях и деталях создаются неоднородные температурные поля и возникают напряжения. Работа материала при повышенных температурах и меняющихся напряжениях сопровождается появлением трещин и разрушением даже, если эти материалы являются высокопластичными. Наиболее стойки к термической усталости и раз­рушению при термических ударах материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью.

Теплопроводностьюназывается перенос энергии в форме теплоты в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности среды. Основным законом передачи тепла в неподвижной среде (молекулярной теплопроводностью или кондукцией) является закон Фурье:

, (4.7)

где q — плотность теплового потока, Дж/м2 ·с; l — теплопроводность, Вт/(м·К).

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

Тепловая энергия в твердых телах переносится электронами и фононами, т.е.

l = lэ + lф. (4.8)

Механизм передачи энергии в первую очередь определяется типом связи: в металлах энергию 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 тепловую энергию, 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 энергии электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Теплопроводность кварцевого стекла, кварца, поликристаллических

и жидких металлов

_______________________________________________________________________

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

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 можно оценить по формуле:

lпор @ l(1 — р), (4.9)

где l — теплопроводность беспористого материала, Вт/(м·К); р — доля пор в объёме пористого материала (пористость).

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты па­раллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза (табл. 4.3).

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 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 (рис. 4.1).

Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(м·К).

Таблица 4.3

Физические свойства материалов с металлической, ковалентной

иионной межатомной связью

Теплоемкость− это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость − количе­ство энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пре­делах 100…2000 Дж/(кг·К). Тугоплавкие металлы характеризуются низкими значениями, например, W (134 Дж/(кг·К) и Мо (254 Дж/(кг·К) , а лег­кие металлы, напротив − высокими значениями теплоемкости, например, Al, Mg и Be (896, 1017 и 1750 Дж/(кг·К), соответственно. 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 увеличена 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. По этой причине удельное электросопротивление таких материалов при нагреве снижается. Начиная с (0,8 — 0,9)Тпл концентрация носителей заряда становится большой, а сами материалы делаются проводящими.