Плотность стали в кг/м3. Углеродистые и легированные стали

Что такое сталь, и какой она бывает?

Прежде чем приводить таблицы плотность стали в кг/м3, познакомимся с самим материалом. Сталью в металлургии называют сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,1 атомных процентов. Если углерода будет больше, то начинает образовываться графит в системе, что приводит к резкому изменению свойств сплава. В частности, увеличивается его твердость и хрупкость, и уменьшается пластичность. Если углерода больше, чем 2,1 %, то сплав называется чугуном.

Следует понимать главную вещь, что сталь — это сплав железа с другими элементами, которые выступают в качестве примесей. Если железо становится не основным компонентом, тогда такой сплав сталью не является.

Стали бывают самые разные. Так, низкое содержание углерода приводит к образованию класса конструкционных материалов. Более высокое его содержание образует класс инструментальных сталей. Помимо углеродистых, существуют легированные разными элементами материалы. Например, добавление больше 13% хрома приводит к образованию нержавеющих материалов, а большое содержание молибдена и вольфрама образует класс режущих сталей.

Механические и технологические характеристики стали

Очень тяжело определить конкретные физические и механические свойства стали, поскольку число ее видов разнообразно ввиду различного состава и термической обработки, которые позволяют создавать материалы с широким разнообразием химических и механических характеристик. Такое разнообразие привело к тому, что производство этих материалов и их обработку начали выделять в отдельную отрасль металлургии — черную металлургию, отличающуюся от цветной металлургии. Однако общие свойства для стали привести можно, они представлены в списке ниже.

Объемный вес стали, то есть масса 1 м³, составляет 7850 кг. Плотность стали г см3 составляет, таким образом, 7,85.
В зависимости от температуры материал можно гнуть, вытягивать и плавить.
Температура плавления зависит от типа сплава и процентного содержания добавок. Так, чистое железо плавится при температуре 1510 °C, в свою очередь, сталь имеет точку плавления, равную 1375 °C, которая увеличивается по мере увеличения процентного содержания углерода и других элементов в ней (исключение составляют эвтектики, плавящиеся при более низких температурах). Быстрорежущая сталь плавится при температуре 1650 °C.
Кипит материал при температуре 3000 °C.
Это стойкий к деформациям материал, твердость которого повышается при добавлении других элементов.
Обладает относительной ковкостью (с помощью него можно получать тонкие нити путем волочения — проволоку), а также пластичностью (можно получать плоские металлические листы толщиной 0,12—0,50 мм — жесть, которая обычно покрывается оловом для предотвращения окисления).
Перед использованием термического воздействия сплав проходит механическую обработку.
Некоторые композиты обладают памятью формы и деформируются на величину, превосходящую предел текучести.
Твердость стали варьируется между твердостью железа и твердостью структур, которые получаются с помощью термических и химических процессов. Среди них наиболее известной является закалка, применяемая к материалам с высоким содержанием углерода. Высокая поверхностная твердость стали позволяет ее использовать в качестве режущего инструмента. Для получения этой характеристики, которая сохраняется до высоких температур, в сталь добавляют хром, вольфрам, молибден и ванадий. Измеряют твердость металла по бринеллю, викерсу и роквеллу.
Обладает хорошими литейными свойствами.
Способность подвергаться коррозии является одним из основных недостатков стали, поскольку окисленное железо увеличивается в объеме и приводит к возникновению трещин на поверхности, что, в свою очередь, еще сильнее ускоряет процесс разрушения. Традиционно металл защищали от коррозии с помощью различных поверхностных обработок. Кроме того, некоторые составы стали устойчивы к окислению, например, нержавеющие материалы.
Обладает высокой электропроводностью, которая не сильно изменяется в зависимости от состава сплава. В воздушных линиях электропередач чаще всего используют алюминиевые проводники, которые покрываются стальной рубашкой. Последняя обеспечивает необходимую механическую прочность проводам, а также способствует более дешевому их производству.
Используется для производства искусственных постоянных магнитов, поскольку намагниченная сталь не теряет свою магнитную способность до определенной температуры. При этом структура стали феррит обладает магнитными свойствами, в то время как структура аустенит не является магнитной. Магниты на основе стали для стабилизации структуры феррита содержат, как правило, около 10% никеля и хрома.
С увеличением температуры изделие из этого материала увеличивает свою длину. Поэтому если в той или иной конструкции существуют степени свободы, то тепловое расширение не является проблемой, если же таких степеней свободы не существует, то расширение стали приведет к появлению дополнительных напряжений, которые нужно учитывать. Коэффициент теплового расширения стали близок к таковому для бетона. Этот факт делает возможным их совместное использование в конструкциях различного типа, такой материал получил название железобетон.
Это негорючий материал, однако его фундаментальные механические свойства быстро ухудшаются под воздействием открытого огня.

От чего зависит плотность стали?

Существует ряд факторов, которые определяют плотность стали в кг/м3. К ним относятся следующие:

плотность собственно железа для данной кристаллической решетки;
количество и тип примесей;
наличие фаз.

Из названых факторов первый является самым главным, поскольку именно железо является основой рассматриваемых сплавов. Как известно, оно может существовать в двух кристаллических решетках: ОЦК (объемно-центрированная кубическая) и ГЦК (гранецентрированная кубическая).

Первый тип решетки образует, так называемые ферритные стали, второй — аустенитные. Решетка ГЦК является плотноупакованной, в то время как ОЦК — это более рыхлая упаковка атомов. Тем не менее плотность ферритных сталей, как правило, выше, чем аустенитных. Причина этого проста, дело в том, что ГЦК является стабильной структурой только при высоких температурах для чистого железа, а все металлы при нагреве сильно расширяются. Последнее приводит к падению плотности.

Каким удельным весом обладает золото

Золото — это достаточно тяжелый металл, который отличается высокой плотностью, равной 19,32 гсм3. По этому показателю, золото занимает среди всех металлов 7-ое место. В различных системах приняты разные единицы измерения: СИ = НМ3, МКСС = 1 кгм3, СГС = 1динсм3. Также удельный вес золота может быть выражен в граммах на см3 (внесистемная единица).

Удельный вес, выраженный в грсм3 равен плотности данного металла. Для золота, этот показатель составляет 19,3 грсм3. Объемный вес золота — это расчетная величина, отражающая плотность металла.

Весовые и качественные особенности золота

Золото обладает всеми свойствами, которые характерны для металлов:

Электро- и теплопроводность;
Высокая прочность;
Пластичность.

Также золото обладает особым, металлическим блеском. Следует заметить, что каждая группа металлов имеет свой характерный металлический блеск. В целом, металлические элементы содержатся в 75% всех встречающихся в природе элементов, но далеко не все встречаются в природе в чистом виде. Из наиболее ценных и редких металлов можно отметить золото и платину.

Оба металла характеризуются достаточно большим удельным весом (19,3 грсм3 и 21,45 грсм3 соответственно). Следует отметить, удельный вес тяжелых металлов, в том числе вольфрама и золота, практически одинаков. Благодаря этому свойству, добыча золота может вестись методом отмывки его от относительно легких частиц глины и песка, содержащихся в промываемой породе.

Вес куба различных металлов.

Вместе в тем, золото является очень мягким металлом, кроме того оно еще и очень тяжелое. Для того чтобы узнать, сколько весит один куб золота, можно воспользоваться специальной формулой или таблицей. Данный показатель составляет 19,320 кг. Твердость золота — 220-250 МПа (по Бринелю) или 2,5 (шкала Мооса).

Высокая стоимость золота обусловлена в первую очередь достаточно малым его содержанием в земной коре — 0,5 — 5 мгтонну. Объемный или удельный вес золота можно узнать по формуле — y=PV, где P-вес золота, а V-его объем.

Основные физико-механические свойства золота

Кроме удельного веса, важными характеристиками также являются физико-механические свойства золота.

Цвет. По этому показателю, из всех металлов, свой особый, характерный цвет, имеют только золото (желтый) и медь (розовато-красный). Что касается других металлов, то тут сложнее — к примеру, белый цвет характерен платине, серебру, алюминию, олову, магнию и кадмию.

Кроме этого, некоторые металлы могут иметь разные оттенки — мышьяк (сероватый), свинец (синевато-белый). Многие металлы в измельченном виде могут иметь не характерные для них цвета, в частности красный или коричневый.

К тому же, большинство металлов при длительном контакте с воздухом окисляется и в результате они темнеют.

Удельный вес играет важную роль не только при добыче золота, но и для получения различных сплавов. Для того, чтобы они были однородными и качественными, необходимо подбирать металлы с небольшой разницей по удельному весу. В противном случае, если разница будет весьма существенной, при сплавлении металл, имеющий меньший объемный вес чем у золота, может всплывать.

Только у золота и меди со всех металлов особый, характерный и уникальный цвет.

Золото переходит в жидкое состояние из твердого при 1095 градусах Цельсия.

Удельная теплоемкость. Обозначает то количество тепла, которое необходимо для повышения на 1 градус Цельсия 1 килограмма золота — измеряется в килокалориях и обозначается буквой С.

Теплопроводность. Это свойство металла проводить тепло, характеризуется коэффициентом теплопроводности.

Золото плавится при 1095 градусах цельсия.

Скрытная температура плавления. Металл необходимо нагреть до температуры плавления и поддерживать, пока будет идти разрушение кристаллической структуры — до тех пор, пока золото полностью не перейдет в жидкое состояние. Эта дополнительная энергия и называется скрытой теплотой плавления и измеряется в килокалориях.

Электрическое сопротивление — измеряется в Омах.

Коэффициент линейного расширения (тепловой или термический). Указывает на способность металла увеличивать свои размеры в длину (при нагревании).

Магнитные свойства. Все металлы подразделяются на: паромагнитные, диамагнитные и феромангитные. При внесение в магнитное поле, материалы диамагнитной группы не притягиваются к магниту. Золото как раз относится к диамагнитным металлам.

Стали углеродистые

Чему равна плотность стали углеродистой? В общем можно сказать, что она немного ниже плотности чистого ОЦК железа (7874 кг/м3). Это незначительное уменьшение связано с тем, что углерод в ОЦК решетке занимает октаэдрические поры. Плотность самого углерода в структурах алмаза и графита очень низкая, поэтому его добавка к железу уменьшает его среднюю плотность. Поскольку атомы углерода занимают большие октаэдрические поры, то они незначительно увеличивают средний параметр решетки, что сказывается на небольшом снижении рассматриваемого показателя. Ниже приведена таблица плотности стали в кг/м3 в зависимости от марки и температуры.

Легированные стали

Как было сказано, к ним относятся любые сплавы на основе железа, которые, помимо углерода, содержат другие элементы, например, хром, никель, вольфрам, ванадий и так далее. Так, плотность нержавеющей стали 12Х18Н9, содержащей, помимо хрома, никель, при комнатной температуре составляет 7900 кг/м3, что выше, чем у чистого ОЦК железа. Если в «нержавейке» никеля не будет, то ее плотность окажется ниже, чем у чистого железа, поскольку атом хрома легче железного.

Самыми плотными являются быстрорежущие стали. Они содержат в больших количествах такие тяжелые металлы, как молибден и вольфрам. Плотность их может достигать 8800 кг/м3.

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.