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.