Тугоплавкие металлы

    Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках.

    Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; шестого периода — танталвольфрам и рений.

    Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

    Тугоплавкие металлы — металлы, которые не существуют в природе в чистом виде. Температура их плавления гораздо выше, чем температура плавки кобальта или железа. Такие металлы применяют в металлургии, корабле- и авиастроении, космической и ядерной промышленности, а также в конденсаторах или реактивных технологиях.

    Прочность металлов и их сплавов делают тугоплавкие детали и конструкции применимыми даже для химической и электронной промышленности. При этом упругость металлов универсальна. Это позволяет даже при высоких температурах обеспечить жаропрочность конструкции независимо от сферы ее применения.

    Механические свойства металлов и сплавов разнообразны в зависимости от их процентного соотношения в изделиях или деталях. Однако среди них можно выделить основные, которые присущи всем тугоплавким металлам и сплавам без исключения.


    Характеристика механических свойств металлов

    • твердость;
    • высокая температура плавления;
    • прочность;
    • деформация ползучести;
    • теплопроводность металлов.

    Таблица прочности металлов поможет определить предел прочности тугоплавкого металла при растяжении, а также показатель прочности каждого вида.

    Твердость

    Т, °С Твердость, МН/м2 (кГ/мм2)
    W Mo Nb
    1560 525 (53,5) 172 (17,6) 102 (10,4)
    1750 410 (41,8) 126(12,9) 50 (5,1)
    2000 167 (17) 65,7 (6,7) 10,8 (1,1)
    2500 71,6 (7,3) 22,5 (2,3) -
    3000 46,1 (4,7) - -

    Удельная прочность тугоплавких металлов

    В таблице представлена удельная прочность металлов, рассчитанная при комнатной температуре. В общих случаях она зависима от чистоты и способа получения металла. По результатам сравнительного анализа видны преимущества таких металлов как Nb и Mo. Они значительно выигрывают по сравнению с Ta и W. Выделенное объективно до температуры в 1370 °С.

    Название металла Удельная прочность, кГ/мм2, Г/см3
    Молибден 8,9
    Ниобий 7,0
    Тантал 2,3
    Вольфрам 5,17

    Температура перехода металлов в сверхпроводящее состояние

    Таблица перевода чисел твердости

    Твердость по Роквеллу Твердость по Виккерсу (HV) Твердость по Бринелю (HB)
    По шкале С (HRC) По шкале А (HRA)
    70 86,5 1076 -
    69 86,0 1004 -
    68 85,5 942 -
    67 85,0 894 -
    66 84,5 854 -
    65 84,0 820 -
    64 83,5 769 -
    63 83,0 763 -
    62 82,5 739 -
    61 81,5 715 -
    60 81,0 695 -
    50 76,0 513 -
    49 75,5 498 -
    48 74,5 485 -
    47 74,0 471 448
    46 73,5 458 437
    45 73,0 446 425
    44 72,5 435 415
    42 71,5 413 393
    40 70,5 393 372
    30 - 301 283
    28 - 285 270
    26 - 271 260
    24 - 257 250
    22 - 246 240
    20 - 236 230

    Упругие свойства тугоплавких металлов

    Металл Коэффициент сжимаемости,
    Х106 см2/кГ
    Модуль нормальной упругости,
    кГ/мм2
    Модуль сдвига,
    кГ/мм2
    Коэффициент Пуассона
    Титан - 9000-10000 - -
    Цирконий 1,097 8960 3330 0,35
    Гафний - 9800-14060 - -
    Ванадий - 13500 - -
    Ниобий - 9080 8820 0,39
    Тантал 0,52 18830 7000 0,35
    Хром - 25000 - -
    Молибден 0,347 33630 12200 0,31
    Вольфрам 0,293 41500 15140 0,30
    Рений - 47000 - -
    Рутений - 42000 - -
    Родий - 28640 - -
    Осмий - 57000 - -
    Иридий - 53830 - -

    Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов

    Элемент T °C Коэффициент теплопроводности k Вт/м∙К
    Ванадий 20 33,2
    Вольфрам 27 130
    Молибден 27 162
    Ниобий 27 53
    Тантал 27 63
    Хром 27 67
    Цирконий 50 20,96

    Термодинамические свойства тугоплавких металлов

    Элемент Удельная теплоемкость,
    Дж/К∙моль
    Теплота плавления,
    кДж/моль
    Теплота испарения,
    кДж/моль
    Ванадий 0,485 17,5 460
    Вольфрам 24,8 35 824
    Молибден 0,251 28 590
    Ниобий 0,268 26,8 680
    Тантал 0,140 24,7 758
    Хром 0,488 21 342
    Цирконий 0,281 19,2 567

    Обозначение символов:

    • σв — предел прочности;
    • σт— предел текучести;
    • σ0,2 — предел текучести при котором остаточные деформации составляют 0,2 % от длины испытываемого образца;
    • δ — относительное удлинение;
    • ψ — относительное сужение;
    • k — коэффициент теплопроводности;
    • HB — твердость по Бринеллю;
    • HV — твердость по Виккерсу;
    • HR — твердость по Роквеллу.