Jak určit hustotu kovu?

Hustotou se obvykle rozumí množství látky v určitém objemu, vzorec pro matematický výpočet této hodnoty je tedy následující:

K označení tohoto indikátoru se používá řecké písmeno ρ.

Vzhledem k všestrannosti této charakteristiky se používá k porovnání různých materiálů. Posledně jmenované lze také identifikovat podle hustoty, jako to udělal Archimedes, když pochyboval o pravosti zlaté koruny. Vypočítal hustotu kovu a dokázal, že jde o padělek.

Hodnota tohoto ukazatele je určena dvěma faktory:

atomová a molekulová hmotnost látky;
průměrná vzdálenost mezi atomy a molekulami.

Například hustota uhlíkových materiálů je nižší než hustota jakéhokoli přechodného kovu kvůli vyšší hmotnosti jeho atomů. Jako příklady můžeme uvést i dva uhlíkové materiály, grafit a diamant – vyšší hustota druhého je způsobena menšími meziatomovými vzdálenostmi.

Nejpočetnější skupina kovů v periodické tabulce prvků zahrnuje jednoduché látky, které mají:

kujnost (schopnost podstoupit plastickou deformaci bez zničení);
vysoká elektrická a tepelná vodivost;
záporný teplotní koeficient vodivosti;
charakteristický kovový lesk.

Kovy mají nízkou elektronegativitu, která je odlišuje od dusíku, kyslíku nebo uhlíku, což umožňuje tvorbu kovových meziatomových vazeb. Ty se projevují v elektrické interakci kladně nabitých iontů se záporně nabitými elektrony a síly takového vzájemného ovlivňování jsou nesměrové a nelokalizované.

Na atomární úrovni je struktura jakéhokoli kovu uspořádaná a představuje tzv. krystalovou mřížku, jejíž struktura určuje hustotu.

Tento indikátor se může u různých kovů značně lišit. Nejnižší hustotu má například lithium, které je v tomto parametru poloviční než voda. A osmium je na prvním místě s hustotou dosahující 22,59 g/cm³.

Můžete určit, jaká hustota je charakteristická pro konkrétní kov pomocí různých metod.

Experimentální metody zahrnují dva hlavní typy stanovení hustoty kovů:

Pro tělesa ideálního geometrického tvaru (koule, krychle, kvádr atd.) lze použít vážení a jednoduchý výpočet objemu.
Pro hydrostatické měření hustoty se používají speciální váhy, které Galileo Galilei vyvinul v 16. století. Pro výpočet hodnoty ρ je zde použit jednoduchý vzorec, do kterého se zadává hmotnost tělesa ve dvou prostředích – vzduchu a vodě.

Teoretická metoda pro stanovení hustoty kovů a slitin je také docela jednoduchá: potřebujete mít údaje o typu krystalové mřížky, atomové hmotnosti a průměrné vzdálenosti mezi atomy.

Význam stanovení hustoty kovů v průmyslu

Hustota materiálů neboli poměr hmotnosti na jednotku objemu je fyzikální veličina, na které je založena většina technologií. Tento indikátor se obvykle měří v g/cm³, méně často v kg/m³.

Informace o hustotě většiny typů oceli, litiny a dalších kovů a slitin široce používaných ve výrobě, včetně neželezných, jsou obsaženy ve specializovaných referenčních knihách a další technické literatuře. Pokud u slitiny s nestandardním složením takový údaj neexistuje, zjišťuje se její hustota v naprosté většině případů hydrostatickou metodou a přibližně v pěti případech ze 100 se používá pyknometr.

Normy GOST pro hydrostatickou metodu měření hustoty:

GOST 15239 (1969).
GOST 20018 (1974).
GOST 25281 (1982).
Technické specifikace 48-19-76-90.

Přečtěte si více

Je možné sundat žaluzie na oknech?

K měření hustoty se používá dobře smáčivá kapalina s co nejnižší těkavostí, která nereaguje s testovaným kovem. Nejdostupnější a nejjednodušší možností je destilovaná voda.

Přesné měření hustoty je rozhodující při výběru materiálů pro výrobu dílů letadel a střel, kde konstrukční prvky, díly a součásti mechanismů musí mít nutně co nejvyšší mechanické vlastnosti s minimální hmotností.

Jedním z hlavních moderních trendů ve vývoji nových konstrukcí a komponentů je dosažení optimálního poměru pevnosti a hmotnosti. Při řešení takových problémů má rozhodující význam hustota.

Příklady hodnot hustoty pro nejoblíbenější kovy

Železo má hustotu 7,874 g/cm³, nikl – 8,91 g/cm³, chrom – 7,19 g/cm³, wolfram – 19,25 g/cm³. Tyto hodnoty jsou uvedeny pro pevný stav slitin. V roztaveném kovu se mění hustota.

Bez kovů je těžké si představit průmysl a život moderního člověka. Objem jejich tavby se každým rokem zvyšuje. Zemská kůra obsahuje velké množství jednotlivých zástupců této skupiny. Například železo tvoří asi 4,6% jeho složení, hliník – 8,9%, hořčík – 2,1% a titan – 0,63%. V metalurgii je zvykem dělit tyto prvky do podskupin.

Do skupiny železných kovů patří ocel a litina různých jakostí. Ocel se obvykle nazývá slitiny s procentem železa od 45 % a výše a uhlíku v rozmezí od 0,1 do 2,14 %. S vyšším obsahem uhlíku je slitina klasifikována jako litina.

Zavedením určitého množství legujících přísad do složení kovu během jeho tavení je možné získat slitiny se specifikovanými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Hustota železných kovů je spolu s jejich dalšími vlastnostmi regulována příslušnými normami GOST.

Hustota ocelových slitin závisí na jejich chemickém složení a může se pohybovat od 7,6 do 8,8 g/cm³. Tento kov má složitou strukturu. Legující přísady nejsou jednoduše smíchány se základním materiálem, ale jsou zabudovány do mřížky a tvoří složité vazby, což umožňuje měnit řadu charakteristik, včetně hustoty. Nejdůležitější v tomto parametru jsou rychlořezné oceli, které obsahují vysoké procento wolframu.

V průmyslu se hojně využívá bronz (slitiny mědi obsahující cín, hliník, olovo a berylium), mosaz, měď a hliník. Slitina, která dala jméno době bronzové, kdy se z ní vyráběly téměř všechny zbraně, nástroje a předměty pro domácnost, se skládala z mědi a arsenu.

Mosaz je slitina mědi se zinkem a/nebo cínem. Pro zvýšení křehkosti čipů lze do kompozice přidat olovo. Kromě toho, že se tyto slitiny používají pro výrobu široké škály dílů používaných v nejrůznějších oborech – od kosmického průmyslu po stavbu lodí, jsou tyto slitiny žádané jako materiál pro šperky a umělecké výrobky.

Duralumin, hliníková slitina obsahující 4,4 % mědi, je široce používána v leteckém průmyslu díky své vysoké pevnosti v kombinaci s nízkou měrnou hmotností.

Když mluvíme o hustotě lehkých kovů, je třeba zmínit titan, jehož pevnost je srovnatelná s pevností mnoha druhů oceli s téměř poloviční měrnou hmotností. Tento kov se používá při výrobě protetiky, sportovního vybavení, zbraní a vybavení pro chemický průmysl (téměř 15 % z celkového objemu). Nejméně 70 % veškerého vyrobeného titanu se používá při konstrukci letadel.

Přečtěte si více

O čem diskutují u kulatého stolu?

Seznámení lidstva s kovy začalo zlatem a stříbrem. Tyto drahé kovy se od nepaměti až do dnešních dnů používaly především jako materiál pro výrobu šperků a uměleckých předmětů.

Vysoká žáruvzdornost wolframu z něj činí nepostradatelný materiál pro výrobu dílů pro různá zařízení a pro jeho vysokou hustotu se z něj často vyrábějí prvky radiační ochrany.

Zejména odolné a pevné nitě jsou vyrobeny z plastové žáruvzdorné slitiny chrómu a niklu – nichromu – pro elektrická topná tělesa průmyslových zařízení a domácích spotřebičů.

Hustota všech těchto kovů a slitin, které mají různé chemické složení, je uvedena ve speciálních tabulkách a referenčních knihách, což umožňuje rychle vypočítat hmotnost kovové části na základě jejích rozměrů.

Význam hustoty svarového kovu při svařování

Kromě vlastností kovu spojovaných prvků a svařovacího drátu je hustota materiálu svarů ovlivněna také dutinami a malými smršťovacími dutinami. Tvorba pórů při svařování dílů je obvykle způsobena rozpuštěním plynu uvolněného při svařování v tavenině.

Pórovitost kovu ve svarech můžete vyhodnotit různými metodami:

Nejčastěji se kontroluje pevnost svarových spojů kanystrů na hořlavé materiály, olej, vodu, dále plynové nádrže, potrubí, parní kotle atd. Zkoušení těsnosti a těsnosti svarů kovového trupu lodi GOST 3285 z roku 1977, kovové trubky využívající hydraulický tlak – GOST 3845 z roku 1975. Hydraulické a vzduchové zkoušky, kterým jsou vystaveny stroje, mechanismy, parní kotle, nádoby a přístroje lodí, jsou regulovány GOST 22161 (1976).
K provedení hydraulické zkoušky se ve vodě nebo jiné kapalině, která plní nádobu čerpadlem nebo hydraulickým lisem, vytvoří tlak 1,1–1,5krát vyšší, než je pracovní tlak. K měření tlaku používejte ověřený a zaplombovaný manometr. Doba expozice je od 5 do 10 minut, během kterých jsou sváry kontrolovány, aby se zabránilo úniku a pocení (tvorba kondenzace).
Otevřené nádrže na olej, plynové nádrže a další zkušební nádoby se naplní vodou a po několika hodinách se provede důkladná kontrola. Kromě potůčků a pocení na těle může snížené utěsnění švů znamenat pokles hladiny kapaliny. Při testování se spoje stříkají vodním paprskem pomocí hadice, poté se zkontroluje zadní strana, aby se vyloučila přítomnost kapek nebo proudů vody. Pomocí hydraulických testů jsou švy kontrolovány jak z hlediska hustoty, tak pevnosti.
Pro pneumatické zkoušky se zkoušené nádoby plní pod tlakem vzduchem nebo jiným plynem. Pokud to rozměry dovolují, je nádoba ponořena do vody, aby se detekovaly bubliny vznikající defekty ve švech. Pro kontrolu velkých nádrží nebo potrubí se na místa svarů aplikují speciální pěnové roztoky. Přítomnost defektů může být indikována poklesem tlaku v testované nádobě během 10–100 hodin. Pro testování velkých nádrží nebo potrubních spojů můžete také použít proud stlačeného vzduchu, který se aplikuje ze vzdálenosti 3 cm v pravém úhlu ke svaru. Tlak musí být alespoň 400 kPa. Aby bylo možné vizuálně identifikovat oblasti se sníženou hustotou svarového kovu, je na jeho zadní stranu aplikován pěnový roztok.

Přečtěte si více

Jak lepit horní parapet?

Důležité! Je nepřípustné odpichovat tlakově zkoušené svary a snažit se zbavit defektů během testování.

doporučené články