Как определить плотность металла

Как определить плотность металла

Плотность является важной физической величиной для любого агрегатного состояния материи. В данной статье рассмотрим вопрос, что это — плотность металлов, приведем таблицу этого параметра для химических элементов и расскажем о самом плотном металле на Земле.

О какой физической характеристике пойдет речь?

Плотность представляет собой величину, которая характеризует количество вещества, находящегося в известном объеме. Согласно этому определению, ее можно математически вычислить так:

ρ = m/V.

Обозначают эту величину греческой буквой ρ (ро).

Плотность является универсальной характеристикой, поскольку по ней можно сравнивать разные материалы. Этот факт можно использовать для их идентификации, что и сделал греческий философ Архимед, согласно легенде (он смог установить подделку золотой короны, измерив величину ρ для нее).

Этот параметр для конкретного материала зависит от двух основных факторов:

• от массы составляющих вещество атомов и молекул;
• от средних межатомных и межмолекулярных расстояний.

Например, любой из переходных металлов (золото, железо, ванадий, вольфрам) имеет большую плотность, чем любой углеродный материал, поскольку масса атома последнего в десятки раз меньше. Другой пример. Графит и алмаз — это две углеродные структуры. Второй является более плотным, поскольку межатомные расстояния в его решетке меньше.

Плотность металлов

Это самая многочисленная группа периодической таблицы Менделеева. Металлом является любое вещество, которое обладает высокой тепло- и электропроводностью, характерным блеском поверхности при ее полировке, способностью к пластической деформации.

Такой химический элемент обладает низкой электроотрицательностью в сравнении с такими веществами, как азот, кислород и углерод. Этот факт приводит к тому, что в объемных структурах атомы металла образуют друг с другом металлическую связь. Она представляет собой электрическое взаимодействие между положительно заряженными ионными основаниями и отрицательным электронным газом.

Атомы металлов в пространстве располагаются в виде упорядоченной структуры, которая называется кристаллической решеткой. Существует всего три их типа:

• кубическая;
• ОЦК (объемно-центрированная кубическая);
• ГПУ (гексагональная плотноупакованная);
• ГЦК (гранецентрированная кубическая).

Плотность металлов — это физическая величина, которая зависит от типа кристаллической решетки. Ниже приводится таблица этого параметра для всех химических элементов в г/см3, которые при нормальных условиях находятся в твердом состоянии.

Из таблицы следует, что плотность металлов — это изменяющаяся в широких пределах величина. Так, самым слабым является литий, который при одинаковых объемах в два раза легче воды. Плотность редкого металла осмия является самой большой в природе. Она составляет 22,59 г/см3.

Плотность металлов — это характеристика, которую можно определить двумя принципиально разными способами:

• экспериментальным;
• теоретическим.

Экспериментальные методы бывают следующего вида:

1. Непосредственные измерения веса тела и его объема. Последний легко вычислить, если известны геометрические параметры тела, а его форма является идеальной, например, призмой, пирамидой или шаром.
2. Гидростатические измерения. В этом случае используются специальные весы, изобретенные еще Галилеем в XVI веке. Принцип их действия достаточно прост: сначала взвешивают тело неизвестной плотности в воздухе, а затем — в жидкости (воде). После этого по простой формуле вычисляют искомую величину.

Что касается теоретического способа определения плотности металлов — это достаточно простой метод, который требует знания типа кристаллической решетки, межатомного расстояния в ней и массы атома. Далее покажем на примере осмия, как этот метод применяют.

Плотность редкого металла осмия

Он содержится в незначительных количествах на нашей планете. Чаще всего его встречают в виде сплавов с иридием и платиной, а также в форме оксидов. Осмий обладает ГПУ решеткой с параметрами a = 2,7343 и c = 4,32 ангстрема. Масса одного атома составляет в среднем m = 190,23 а.е.м.

Приведенных выше цифр достаточно, чтобы определить величину ρ. Для этого следует воспользоваться исходной формулой для плотности и учесть, что одна гексагональная призма содержит шесть атомов. В результате мы приходим к рабочей формуле:

ρ = 4*m/(√3*a2*c).

Подставляя записанные выше цифры и учитывая их размерности, приходим к результату: ρ = 22 579 кг/м3.

Таким образом, плотность редкого металла равна 22,58 г/см3, что равняется измеренному экспериментально табличному значению.

Плотность и удельный вес металлов и их сплавов

Во всех сферах человеческой деятельности применяются изделия из металлов. Металлы в научном смысле представляют собой простые вещества, обладающие специфическими свойствами (металлическим блеском, ковкостью, высокой электропроводностью). В быту и на производстве часто используют их сплавы с другими элементами. Эти затвердевшие расплавы также обычно называют металлами.

Определение и использование плотности

Как известно, чтобы найти плотность вещества, его массу делят на объем. Плотность является физико-химической характеристикой вещества. Она постоянна. Материалы для промышленного производства должны соответствовать этому показателю. Для её обозначения принято использовать греческую букву ρ.

Плотность железа равна 7874 кг/м³, никеля — 8910 кг/м³, хрома — 7190 кг/м³, вольфрама — 19250 кг/м³. Конечно, это относится к твёрдым сплавам. В расплавленном состоянии веществам присущи другие характеристики.

В природе лишь некоторые металлы присутствуют в большом количестве. Удельный вес железа в земной коре 4,6%, алюминия — 8,9%, магния — 2,1%, титана — 0,63%. Металлы незаменимы в большинстве сфер человеческой деятельности. Их производство растёт год от года. Для удобства металлы разделены на группы.

Железо и его сплавы

Чёрными металлами принято называть стали и чугуны разных марок. Сплав железа и углерода считается сталью, если железа не менее 45%, а содержание углерода 0,1%—2,14%. Чугуны, соответственно, углерода содержат больше.

Для получения необходимых свойств сталям и сплавам их легируют (присаживают при переплаве легирующие добавки). Таким образом плавят заданные марки. Все марки металла строго соответствуют определённым техническим условиям. Свойства каждой марки регламентированы государственными стандартами.

В зависимости от состава плотность стали варьируется в диапазоне 7,6—8,8 (г/см³) в СГС или 7600—8800 (кг/м³) в СИ (это видно из таблицы 1).

Поэтому самыми большими плотностями обладают быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама.

Цветные металлы и их сплавы

Изделия из бронзы, латуни, меди, алюминия широко применяются на производстве:

• Обычно бронзы это сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и бериллием. Однако в бронзовом веке, когда удельный вес бронзы в общей массе металлических изделий составлял почти 100%, это были сплавы медь — мышьяк.
• Сплавы на основе цинка — латуни. В латуни может присутствовать олово, но его количество меньше, чем цинка. Чтобы получить сыпучую стружку, иногда добавляют свинец. Кроме ювелирных сплавов латуни и бронзы, они нужны для деталей машин и морских судов, скобяных изделий, пружин. Некоторые сорта применяют в авиации и ракетостроении.
• Дюралюминий (дюраль) — сплав алюминия с медью (меди 4,4%) — это высокопрочный сплав. Главным образом применяется в авиации.
• Титан по прочности превосходит многие марки стали. Одновременно он вдвое легче. Эти качества сделали его незаменимым в большинстве отраслей промышленности. А также он широко применяется в медицине (протезировании). Удельный вес титана в производстве летательных аппаратов достигает 70% от всего выплавляемого в мире. Около 15% титана идёт для химического машиностроения.
• Серебро и золото — первые металлы, с которыми познакомился человек. За всю историю существования человечества эти металлы, по большей части, шли на ювелирные изделия. И в настоящее время тенденция сохраняется.
• Вольфрам из-за высокой тугоплавкости незаменим в приборостроении. Большая плотность позволяет применять его, как защиту от радиации.
• Никель и хром образуют нихром — жаропрочный пластичный сплав, очень долговечный и надёжный.

Различные марки сталей и чугунов, бронз и других металлов имеют разный химический состав и разную плотность. Плотности всех востребованных материалов измерены и систематизированы. Таблицы, содержащие эти данные доступны пользователям. С их помощью можно легко найти массу изделия заданной формы.

Что это — плотность металлов, как она определяется? Расчет плотности для осмия

Плотность является важной физической величиной для любого агрегатного состояния материи. В данной статье рассмотрим вопрос, что это — плотность металлов, приведем таблицу этого параметра для химических элементов и расскажем о самом плотном металле на Земле.

Плотность стали

Первые упоминания о стали содержатся в индийские источники, датируемые приблизительно 1 тысячелетием до н. э. Стальные мечи, изготовленные индийскими мастерами, были прочнее и острее бронзовых. Сталь обрабатывалась на Ближнем Востоке и в Древнем Риме. Именно стальные мечи и доспехи помогли римским легионам в их победоносном шествии по античному миру.

Второе рождение материала произошло в 19 веке, года был разработан мартеновский метод ее выплавки, позволяющий получать сплавы высокого и стабильного качества в больших количествах. В 20 веке сталь стала основным конструкционным материалом. Одной из важных характеристик любого материала, является его плотность — масса вещества в единице объема.

Плотность стали

Плотность измеряется в граммах на кубический сантиметр или в тоннах на кубометр. Цифровое значение плотности для этих двух единиц измерения будет совпадать. Плотность одного и того же материала при разной температуре меняется вследствие явления теплового и объемного расширения. У большинства веществ, включая металлы, плотность с ростом температуры падает.

Плотность стали конструкционной легированной

Конструкционные легированные сплавы применяются в производстве высоконагруженных ответственных конструкций, в том числе работающих в агрессивных средах. Плотность марки 30ХГСА близка к стандартному значению в 7,85 т/м3
плотность стали конструкционной низколегированной для сварных конструкций

Низколегированные сплавы обладают прекрасной свариваемостью и высокой стойкостью к коррозии, поэтому их широко применяют для ответственных конструкций в строительстве и кораблестроении. УВ стали этой группы колеблется в пределах 7,85-7,87 т/м3 и приведен в таблице:

Плотность стали конструкционной повышенной обрабатываемости

Удельный вес стали 30ХГСА, применяемой для валов, осей, рычагов составляет 7,85 т/м3. При нагреве до 200 ºС он снижается до 7,8. Плотность стали конструкционной подшипниковой марки 35ХГ2 равна 7,8 т/м3.

Удельный вес стали 12Х2Н4А, применяемой для создания высоконагруженных шестерен, поршневых пальцев и т. п., составляет 7,84 т/м3 при 20 ºС и снижается до 7,63 при нагреве до 600 ºС

Плотность стали конструкционной рессорно – пружинной

Рессорно-пружинные сплавы обладают повышенной упругостью при сохранении высокой прочности и применяются для изготовления элементов упругости механизмов — рессор, пружин, амортизаторов. Плотность марки 65Г составляет 7,85 т/м3.

Плотность стали конструкционной углеродистой качественной

Сталь качественная конструкционная углеродистая марок 10, 20, 30, 40 имеет плотность 7,85 т/м3

Плотность нержавеющей стали

Плотность вещества вычисляется путем деления массы объекта на его объем. Такие вычисления для всех известных человеку веществ уже сделаны, и метрологические службы периодически повторяют и уточняют эти измерения. На практике перед людьми встает другая практическая задача: зная материал, из которого изготовлено изделие, определить его массу.

Плотность вещества также называют удельной массой (или, в быту, удельным весом) — т. е. массой сплошного физического тела изготовленного из данного вещества и имеющего единичный объем.

Нержавеющая сталь

Следует отметить, что, используя термин «масса», в 99% случаев люди имеют дело с весом — силой притяжения физического тела к Земле.

Дело в том, что для определения массы тела в строгом физическом смысле требуется сложное оборудование, доступное лишь в крупнейших научных центрах.

Для практического применения в большинстве случаев достаточно обычных, более или менее точных весов, использующих гравитацию Земли и пружины, либо рычаги и стандартные гири, либо пьезоэлементы.

На практике, чтобы рассчитать вес погонного или квадратного метра металлопроката используют удельную массу, или плотность материала, из которого он изготовлен. В справочниках по сортаменту металлопроката среди основных характеристик каждого сорта обязательно указывается масса погонного или квадратного метра и значение плотности, использованное при вычислениях.

В большинстве случаев расчета по массе погонного или квадратного метра хватает для практических применений. Сырье и комплектующие закупаются с некоторым нормированным запасом, а перед отгрузкой потребителю изделие взвешивают на весах для точных взаиморасчетов между контрагентами.

Это может дать погрешность до 10% в большую или в меньшую сторону для изделия, сделанного из очень легкого или, наоборот, очень тяжелого сплаваю. Для малого количества металла разница будет мала, и ею можно будет пренебречь. Однако для сложных изделий, использующих большие объемы металла, потребуются более точные расчеты.

Масса понадобится при формировании заявки на закупку металла. На основе плотности данного сплава делают корректировку справочных значений массы одного погонного или квадратного метра, и далее в расчетах используют уже уточненное значение.

Как рассчитать P или выполнить корректировку массы 1 метра?

Практический способ определения плотности достаточно прост и известен нам из школьного курса физики. В мерную емкость, заполненную водой до определенной отметки, опускают образец материала. Уровень воды поднимается на определенную высоту. Объем вытесненной воды равен объему образца. Массу образца определяют взвешиванием на точных весах. Плотность будет равна отношению массы и объема.

Чтобы выполнить корректировку массы погонного или квадратного метра, нужно значение из справочника разделить на плотность из справочника и результат умножить на измеренную плотность материала образца. Получится откорректированная величина.

Если предвидится повторение подобных вычислений, то удобнее будет вычислить корректировочный коэффициент, равный отношению стандартной плотности и плотности образца, и далее применять его в расчетах.

Плотность 12Х18Н10Т и некоторых нержавеющих сталей

Марка 12×18Н10Т является одной из самых широко применяемых нержавеющих сталей. Плотность для нее и нескольких популярных в производстве марок приведена в таблице, марки расположены по мере возрастания плотности. В третьей колонке показан коэффициент корректировки плотности относительно стандартного значения в 7,85:

Плотность других сталей и сплавов

Удельный вес стали других групп приведен в таблице:

Сталь — понятие и ее характеристики

Сталь– является самым распространенным материалом для изготовления конструкций, деталей, механизмов и инструмента.

К сталям относятся все сплавы железа и углерода, причем доля железа должна быть не менее 45 %, а доля углерода — менее 2,14 процента.

Углерод, выстраиваясь в молекулярные структуры железа, повышает прочность и твердость, но делает сплав менее пластичным и ковким. Кроме углерода, в состав сплава входят металлы и неметаллы.

К наиболее важным характеристикам сплава относятся:

• модуль сдвига;
• модуль упругости;
• плотность;
• коэффициент линейного расширения.

Разные сферы применения материалов требуют от них отличающихся друг от друга  физических и химических свойств. Так, например, стальные сплавы с высоким модулем упругости применяют для производства пружин и амортизаторов рессорного типа. Эти свойства целенаправленно меняются в результате добавления различных присадок.

Плавление стали

Плотность стали, или УВ стали — одна из важнейших характеристик сплава. Исходя из нее, конструктор подсчитывает вес детали и общий вес изделия, логистика организует закупку и доставку сырья, заготовок и готовых изделий, экономисты определяют себестоимость.
Вес стали определяется как произведение плотности на объем.

Классификация стали

В зависимости от доли неметаллических примесей, определяемой методом выплавки данной марки, стальные сплавы разделяют на:

• особо высококачественные;
• высококачественные;
• обыкновенного качества.

По химическому составу сплавы также разделяют на легированные и углеродистые.

Углеродистые стали

Используются преимущественно для производства сварных конструкций и содержит от 0,25 до 2,14 процента углерода. Внутри группы они далее разделяются на подгруппы, и также по процентной доле углерода:

• высокоуглеродистые (0,6-2,14);
• среднеуглеродистые (0,3-0,55);
• низкоуглеродистые (ниже 0,25).

В качестве присадок в них также входят кремний и марганец.
Кроме полезных, вводимых целенаправленно присадок в сплаве могут содержаться и вредные примеси, отрицательно влияющие на ее физико- химические свойства:

• фосфор снижает пластичность при нагреве и повышает хрупкость при охлаждении;
• сера приводит к образованию микротрещин.

Низкоуглеродистая сталь

В состав сплава могут попадать и другие примеси.

Легированная сталь

Для обретения сплавом требуемых свойств при плавке в него добавляют полезные присадки, или легирующие элементы, чаще всего металлы, такие, как алюминий, молибден, хром, марганец, никель, ванадий и другие.

Свойства сплава меняются при этом весьма существенно: сплав приобретает стойкость к коррозии, особую прочность, высокую ковкость, повышенную или пониженную электропроводность и т.д.
Сплав с такими добавками называют легированной сталью.

По процентному содержанию легирующих присадок они делятся на три группы:

• высоколегированные – свыше 11;
• среднелегированные – от 4 до 11;
• низколегированные – менее 4.

По области применения стальные сплавы делятся на:

• инструментальные — высокопрочные сплавы применяются для изготовления инструментов, штампов, фрез, сверл и резцов;
• конструкционные – применяются для производства корпусов и узлов транспортных средств, станков, строительных конструкций;
• специальные. В эту группу включают сплавы с повышенной стойкостью к кислотной и щелочной среде, радиации, нержавеющие сплавы, электроматериалы и др.

Легированая сталь

Некоторые присадки и виды обработки повышают плотность материала, а другие – снижают, например:

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Удельный вес металла. Таблица плотности металлов и сплавов

Все металлы обладают определенными физико-механическими свойствами, которые, собственно говоря, и определяют их удельный вес. Чтобы определить, насколько тот или иной сплав черной или нержавеющий стали подходит для производства рассчитывается удельный вес металлопроката.

Все металлические изделия, имеющие одинаковый объем, но произведенные из различных металлов, к примеру, из железа, латуни или алюминия, имеют различную массу, которая находится в прямой зависимости от его объема. Иными словами, отношение объема сплава к его массе — удельная плотность (кг/м3), является постоянной величиной, которая будет характерной для данного вещества.

Плотность сплава рассчитывается по специальной формуле и имеет прямое отношение к расчету удельного веса металла.

Удельным весом металла называется отношение веса однородного тела из этого вещества к объему металла, т.е. это плотность, в справочниках измеряется в кг/м3 или г/см3. Отсюда можно вычислить формулу как узнать вес металла. Чтобы это найти нужно умножить справочное значение плотности на объем.

В таблице даны плотности металлов цветных и черного железа.

Таблица разделена на группы металлов и сплавов, где под каждым наименованием обозначена марка по ГОСТ и соответствующая ей плотность в г/см3 в зависимости от температуры плавления.

Для определения физического значения удельной плотности в кг/м3 нужно табличную величину в г/см3 умножить на 1000. Например, так можно узнать какова плотность железа — 7850 кг/м3.

Наиболее типичным черным металлом является железо. Значение плотности — 7,85 г/см3 можно считать удельным весом черного металла на основе железа.

К черным металлам в таблице относятся железо, марганец, титан, никель, хром, ваннадий, вольфрам, молибден, и черные сплавы на их основе, например, нержавеющие стали (плотность 7,7-8,0 г/см3), черные стали (плотность 7,85 г/см3) в основном используют производители металлоконструкций в Украине, чугун (плотность 7,0-7,3 г/см3). Остальные металлы считаются цветными, а также сплавы на их основе. К цветным металлам в таблице относятся следующие виды:

− легкие — магний, алюминий;

− благородные металлы (драгоценные) — платина, золото, серебро и полублагородная медь;

− легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец.

Удельный вес цветных металлов

При прокате заготовок из цветных металлов необходимо еще точно знать их химический состав, поскольку от него зависят их физические свойства.

Например, если в алюминии присутствуют примеси (хотя бы и в пределах 1%) кремния или железа, то пластические характеристики у такого металла будут гораздо хуже.Другое требование к горячему прокату цветных металлов – это предельно точная выдержка температуры металла.

К примеру, цинк требует при прокатке температуры строго 180 градусов — если она будет чуть выше или чуть ниже, капризный металл резко утратит пластичность.

Медь более «лояльна» к температуре (ее можно прокатывать при 850 – 900 градусах), но зато требует, чтобы в плавильной печи непременно была окислительная (с повышенным содержанием кислорода) атмосфера — иначе она становится хрупкой.

Таблица удельного веса сплавов металлов

Удельный вес металлов определяют чаще всего в лабораторных условиях, но в чистом виде они весьма редко применяются в строительстве. Значительно чаще находится применение сплавам цветных металлов и сплавам черных металлов, которые по удельному весу подразделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы активно используются современной промышленностью, из-за их высокой прочности и хороших высокотемпературных механических свойств. Основными металлами подобных сплавов выступают титан, алюминий, магний и бериллий. Но сплавы, созданные на основе магния и алюминия, не могут использоваться в агрессивных средах и в условиях высокой температуры.

В основе тяжелых сплавов лежит медь, олово, цинк, свинец. Среди тяжелых сплавов во многих сферах промышленности применяют бронзу (сплав меди с алюминием, сплав меди с оловом, марганцем или железом) и латунь (сплав цинка и меди). Из этих марок сплавов производятся архитектурные детали и санитарно-техническая арматура.

Ниже в справочной таблице приведены основные качественные характеристики и удельный вес наиболее распространенных сплавов металлов. В перечне представлены данные по плотности основных сплавов металлов при температуре среды 20°C.

Представленная в таблице плотность металлов и сплавов поможет вам посчитать вес изделия. Методика вычисления массы детали заключается в вычислении ее объема, который затем умножается на плотность материала, из которого она изготовлена.

Плотность — это масса одного кубического сантиметра или кубического метра металла или сплава. Рассчитанные на калькуляторе по формулам значения массы могут отличаться от реальных на несколько процентов.

Это не потому, что формулы не точные, а потому, что в жизни всё чуть сложнее, чем в математике: прямые углы — не совсем прямые, круг и сфера — не идеальные, деформация заготовки при гибке, чеканке и выколотке приводит к неравномерности ее толщины, и можно перечислить еще кучу отклонений от идеала.

Как определить плотность металла — Справочник металлиста

Первые упоминания о стали содержатся в индийские источники, датируемые приблизительно 1 тысячелетием до н. э.

Стальные мечи, изготовленные индийскими мастерами, были прочнее и острее бронзовых. Сталь обрабатывалась на Ближнем Востоке и в Древнем Риме.

Именно стальные мечи и доспехи помогли римским легионам в их победоносном шествии по античному миру.

Второе рождение материала произошло в 19 веке, года был разработан мартеновский метод ее выплавки, позволяющий получать сплавы высокого и стабильного качества в больших количествах. В 20 веке сталь стала основным конструкционным материалом. Одной из важных характеристик любого материала, является его плотность — масса вещества в единице объема.

Плотность стали

Плотность измеряется в граммах на кубический сантиметр или в тоннах на кубометр. Цифровое значение плотности для этих двух единиц измерения будет совпадать.

Плотность одного и того же материала при разной температуре меняется вследствие явления теплового и объемного расширения.

У большинства веществ, включая металлы, плотность с ростом температуры падает.