Для чистых веществ (элементов) температуры ликвидус и солидус совпадают. Для растворов же, к которым в том числе относятся сталь и чугун, существует, так называемый, температурный интервал кристаллизации, в котором одновременно сосуществуют твердая и жидкая фазы.
Температуры плавления стали
При определённых условиях твёрдые тела плавятся, то есть переходят в жидкое состояние. Каждое вещество делает это при определённой температуре.
- Плавление — это процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое.
- Температура плавления — это температура, при которой твёрдое кристаллическое вещество плавится, переходит в жидкое состояние. Обозначается t.
Физики используют определённую таблицу плавления и кристаллизации, которая приведена ниже:
| Вещество | t,°C | Вещество | t,°C | Вещество | t,°C |
| Алюминий | 660 | Медь | 1087 | Спирт | — 115 |
| Водень | — 256 | Нафталин | 80 | Чугун | 1200 |
| Вольфрам | 3387 | Олово | 232 | Сталь | 1400 |
| Железо | 1535 | Парафин | 55 | Титан | 1660 |
| Золото | 1065 | Ртуть | — 39 | Цинк | 420 |
На основании таблицы можно смело сказать, что температура плавления стали равна 1400 °C.
Тугоплавкие металлы
Температура тугоплавких металлов выше 1600°C. Это вольфрам, титан, платина, хром и другие. Их используют в качестве источников света, машинных деталей, смазочных материалов, а также в ядерной промышленности. Из них изготавливают проволоки, высоковольтные провода и используют для расплавки других металлов с более низкой температурой плавления. Платина начинает переходить из твердого в жидкое состояние при температуре 1769 градусов, а вольфрам – при температуре 3420°C.
Ртуть – единственный металл, находящийся в жидком состоянии при обычных условиях, а именно, нормальном атмосферном давлении и средней температуре окружающей среды. Температура плавления ртути составляет минус 39°C. Этот металл и его пары являются ядовитыми, поэтому он используется только в закрытых емкостях или в лабораториях. Распространенное применение ртути – градусник для измерения температуры тела.
Каждый металл и сплав имеет собственный уникальный набор физических и химических свойств, среди которых не последнее место занимает температура плавления. Сам процесс означает переход тела из одного агрегатного состояния в другое, в данном случае, из твердого кристаллического состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, необходимо подводить к нему тепло до достижения температуры плавления. При ней он все еще может оставаться в твердом состоянии, но при дальнейшем воздействии и повышении тепла металл начинает плавиться. Если температуру понизить, то есть отвести часть тепла, элемент затвердеет.
Самая высокая температура плавления среди металлов принадлежит вольфраму: она составляет 3422С о , самая низкая — у ртути: элемент плавится уже при — 39С о . Определить точное значение для сплавов, как правило, не представляет возможности: оно может значительно колебаться в зависимости от процентного соотношения компонентов. Их обычно записывают в виде числового промежутка.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь — это один из многих железных сплавов, которые содержатся в стали. Она содержит в себе Хром от 15 до 30%, который делает её ржаво-устойчивой, создавая защитный слой оксида на поверхности, и углерод. Самые популярные марки такой стали зарубежные. Это 300-я и 400-я серии. Они отличаются своей прочностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям и пластичностью. 200-я серия менее качественная, но более дешёвая. Это и является выгодным для производителя фактором. Впервые её состав заметил в 1913 году Гарри Бреарли, который проводил над сталью много разных экспериментов.
На данный момент нержавейку разделяют на три группы:
- Жаропрочная — при высоких температурах имеет высокую механическую прочность и устойчивость. Детали, которые из неё изготавливаются применяют в сферах фармацевтики, ракетной отрасли, текстильной промышленности.
- Ржаво-стойкая — имеет большую стойкость к процессам ржавления. Её используют в бытовых и медицинских приборах, а также в машиностроении для изготовления деталей.
- Жаростойкая — является устойчивой при коррозии в высоких температурах, подходит для использования на химических заводах.
Температура плавления нержавеющей стали колеблется в зависимости от её марки и количества сплавов приблизительно от 1300 °C до 1400 °C.
Типы сплавов
В зависимости от интенсивности нагрева, требуемого для перехода металла из одного состояния в другое, сплавы разделяют на несколько видов.
Легкоплавкие. Их обработка может производиться даже без специального оборудования. Температура плавления стали в градусах Цельсия составляет 600. К числу легкоплавких металлов относятся свинец, олово и цинк.
Особого внимания заслуживает ртуть, способная переходить в жидкое состояние при -39°С.
Среднеплавкие. Температура плавления сталей находится в пределах 600°С-1600°С. К этой категории относятся алюминий, медь, олово, некоторые виды нержавейки и различные сплавы с небольшим содержанием хрома. Среднеплавкие соединения получили наибольшее распространение в промышленности и в быту.
Тугоплавкие. Соединения, входящие в данную категорию, способны переходить из твердого состояния в жидкое при нагреве свыше 1600°С. Это высоколегированные металлы, в состав которых входят вольфрам, титан и хром. Благодаря этим добавкам металл приобретает повышенную прочность, устойчивость к коррозии и химическим воздействиям. В частности, к тугоплавким сплавам относится нержавейка.
При наиболее низких температурных показателях плавятся щелочные металлы. Соответственно, для перехода в жидкое состояние не щелочных металлов температурный диапазон значительно увеличивается.
Градус кипения
В процессе нагрева материала важно не достичь его кипения, при котором из жидкого состояния он переходит в газообразное. Поэтому градус кипения является не менее важным технологическим показателем.
Градус кипения, как правило, вдвое выше градуса, при котором материалы расплавляются, и определяется при нормальном атмосферном давлении. При увеличении давления увеличивается и интенсивность нагрева. При уменьшении давления показатели уменьшаются.
Особенности углеродистой стали
Углеродистые соединения являются основным видом продукции, производимой на металлургических комбинатах. Кроме железа, в их состав входит углерод. Его концентрация не должна превышать 2,14%. В них присутствует небольшое количество примесей и легирующих компонентов в виде марганца, кремния и магния. Такие добавки позволяют улучшить их физические и химические показатели.
В зависимости от концентрации углерода углеродистые соединения делятся на следующие виды:
- низкоуглеродистые (содержание углерода не превышает 0,29%);
- среднеуглеродистые (до 0,6%);
- высокоуглеродистые (более 0,6%).
Углеродистые соединения используются в различных промышленных отраслях. В зависимости от сферы применения в них добавляются легирующие компоненты, позволяющие достичь специфических свойств, включая жаропрочность, коррозийную стойкость и пр. По этим критериям они подразделяются на следующие категории:
- конструкционные;
- инструментальные.
В инструментальные добавляется марганец, позволяющий значительно повысить качество металла. Температура плавления углеродистой стали составляет 1535°С.
Особенности легированной стали
В состав легированных соединений вводят дополнительные компоненты. В определенных количествах они придают им требуемые свойства. В зависимости от концентрации таких элементов они подразделяются на следующие виды:
- низколегированные (с концентрацией 2,5%);
- среднелегированные (до 10%);
- высоколегированные (свыше 10%).
За счет добавления дополнительных компонентов удается повысить прочность, коррозийную стойкость и улучшить другие характеристики. В качестве легирующих компонентов выступают хром, медь, никель, азот, ванадий и пр. Температура плавления легированной стали колеблется в пределах 1400°С-1480°С.
Особенности нержавейки
Нержавейка – это сплав, устойчивый к сухой и влажной коррозии, и невосприимчивый к воздействию агрессивных веществ. Чтобы придать ему необходимые свойства, в металл добавляются различные легирующие компоненты в виде хрома, никеля, магния, титана и пр. Температура плавления нержавеющей стали по Цельсию составляет 1350-1500 градусов.
Ниже представлена таблица, в которой указана температура плавления жаропрочной нержавеющей стали наиболее популярных марок.
| Марка | t°С |
| 12Х18Г9 | 1410 |
| Х20Н35 | 1410 |
| 12Х18Н9Т | 1425 |
| Х25С3Н | 1480 |
| 15Х25Т | 1500 |
Особенности инструментальной стали
Этот материал предназначен исключительно для изготовления инструментов. От конструкционного он отличается увеличенным содержанием углерода в количестве более 0,7%. Такие соединения в основном используются в машиностроении для обработки чермета и цветмета. Температура плавления нержавеющей стали, предназначенной для изготовления инструмента, составляет 1500°С.
Чугун и сталь
Чугун — это сплав углерода и железа, он содержит примеси марганца, кремния, серы и фосфора. Выдерживает невысокие напряжения и нагрузки. Один из его многочисленных плюсов — это невысокая стоимость для потребителей. Чугун бывает четырех видов:
- Белый — имеет высокую прочность и плохую способность к обработке ножом. Виды сплава по увеличению количества углерода в составе: доэвтектический, эвтектический, заэвтектический. Его назвали белым из-за того, что в разломе он имеет белый цвет. А также белый чугун обладает особым строением металлической массы и большой изностойкостью. Полезен в изготовлении механических деталей, которые будут работать в среде с отсутствием смазки. Его используют для изготовления приведённых ниже видов чугуна.
- Серый чугун — содержит углерод, кремний, марганец, фосфор и немного серы. Его можно легко получить, и он имеет плохие механические свойства. Используется для изготовления деталей, которые не подвергаются воздействию ударных нагрузок. В изломе есть серый цвет, чем он темнее, тем материал мягче. Свойства серого чугуна зависят от температуры среды, в которой он находится, и количества разных примесей.
- Ковкий чугун — получают из белого в результате томления (длительного нагрева и выдержки). В состав вещества входят: углерод, кремний, марганец, фосфор, небольшое количество серы. Является более прочным и пластичным, легче поддаётся обработке.
- Высокопрочный чугун — это самый прочный из всех видов чугунов. Содержит в себе углерод, марганец, серу, фосфор, кремний. Имеет большую ударную вязкость. Из такого важного металла делают поршни, коленчатые валы и трубы.
Температуры плавления стали и чугуна отличаются, как утверждает таблица, приведённая выше. Сталь имеет более высокую прочность и устойчивость к высоким температурам, чем чугун, температуры отличаются на целых 200 градусов. У чугуна это число колеблется приблизительно от 1100 до 1200 градусов в зависимости от содержащихся в нем примесей.
Плотность, температура плавления и кипения простых веществ: таблицы для элементов
В таблице приводятся основные физические свойства простых веществ: плотность при температуре 20°С (в случае, если плотность измерена при другой температуре, последняя указана в скобках), температура плавления и температура кипения веществ в градусах Цельсия.
Указаны плотность и температуры плавления и кипения следующих простых веществ: азот N2, актиний Ac, алюминий Al, америций Am, аргон Ar, астат At, барий Ba, бериллий Be, бор B, бром Br, ванадий V, висмут Bi, водород h3, вольфрам W, гадолиний Gd, галлий Ga, гафний Hf, гелий He, германий Ge, гольмий Ho, диспрозий Dy, европий Eu, железо Fe, золото Au, индий In, йод (иод) J, иридий Ir, иттербий Yb, иттрий Y, кадмий Cd, калий K, кальций Ca, кислород O2, озон O3, кобальт Co, кремний Si, криптон Kr, ксенон Xe, кюрий Cm, лантан La, литий Li, лютеций Lu, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, мышьяк As, натрий Na, неодим Nd, неон Ne, нептуний Np, никель Ni, ниобий Nb, олово Sn, осмий Os, палладий Pd, платина Pt, плутоний Pu, полоний Po, празеодим Pr, прометий Pm, протактиний Pa, радий Ra, радон Rn, рений Re, родий Rh, ртуть Hg, рубидий Rb, рутений Ru, самарий Sm, свинец Pb, селен Se, сера S, серебро Ag, скандий Sc, стронций Sr, сурьма Sb, таллий Tl, тантал Ta, теллур Te, тербий Tb, технеций Tc, титан Ti, торий Th, тулий Tu, углерод C (алмаз, графит), уран U, фосфор P (белый, красный), франций Fr, фтор F, хлор Cl, хром Cr, цезий Cs, церий Ce, цинк Zn, цирконий Zr, эрбий Er.
Читать также: Самодельная точечная сварка из микроволновки сечение провода
Следует отметить, что плотность веществ в таблице выражена в размерности кг/м3. В таблице можно выделить вещества (химические элементы) с минимальной и максимальной плотностью. Наименьшей плотностью из химических элементов обладают газы — например, плотность водорода равна всего 0,08987 кг/м3 — это самый легкий газ на планете. Из тяжелых элементов высокой плотностью отличаются вольфрам, уран, нептуний, осмий и другие металлы.
Цифры в скобках означают, что вещество при данной температуре разлагается. Сокращения: г. — газ, ж. — жидкость, тв. — твердое вещество, возг. — возгоняется, ромб. — ромбическая структура.
По данным таблицы можно выделить вещества, обладающие минимальной и максимальной температурой плавления и кипения. Самую низкую температуру плавления имеет химический элемент гелий — его температура плавления равна минус 272,2 °С. Гелий также обладает и самой низкой температурой кипения.
Самую высокую температуру плавления среди простых веществ имеет такой химический элемент, как углерод в виде графита. Он начинает плавиться при температуре 3600°С. Другая модификация углерода — алмаз также относится к тугоплавким веществам с температурой плавления 3500°С.
Самую высокую температуру кипения имеет элемент кадмий, он кипит при температуре не ниже 7670°С, хотя начинает плавиться всего лишь при 321°С.
Атомная масса и плотность простых веществ
В таблице приведена атомная масса и плотность следующих химических элементов: азот ,актиний, алюминий, америций, аргон, астат, барий, бериллий, берклий, бор, бром, ванадий, висмут, водород, вольфрам, гадолиний, галлий, гафний, гелий, германий, гольмий, диспрозий, европий, железо, золото, индий, йод, иридий, иттербий, иттрий, кадмий, калий, калифорний, кальций, кислород, кобальт, кремний, криптон, ксенон, кюрий, лантан, литий, лютеций, магний, марганец, медь, менделевий, молибден, мышьяк, натрий, неодим, неон, нептуний, никель, ниобий, олово, осмий, палладий, платина, плутоний, полоний, празеодим, прометий, протактиний, радий, радон, рений, родий, ртуть, рубидий, рутений, самарий, свинец, селен, сера, серебро, скандий, стронций, сурьма, таллий, тантал, теллур, тербий, технеций, титан, торий, тулий, углерод (графит, алмаз), уран, фермий, фосфор, франций, фтор, хлор, хром, цезий, церий, цинк, цирконий, эйнштейний, эрбий.
Указанные значения плотности соответствуют плотности веществ при температуре 20°С и атмосферном давлении, за исключением тех случаев, когда в скобках указана другая температура.
Плотность элементов дана в размерности тонна на кубометр. Например, плотность жидкого азота при температуре -195,8°С равна 0,808 т/м3 или 808 кг/м3; плотность хлора в газообразном состоянии равна 3,214 кг/м3, жидкого — 1557 кг/м3. Значения плотности веществ приведены для их естественного молекулярного и агрегатного состояний при указанной температуре.
Источники:1. Писаренко В.В. Справочник лаборанта-химика. Справ. пособие для проф.-техн. учебн. заведений. М., «Высшая школа», 1970. — 192 стр. с илл.2. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ
Астицы любого тела — атомы или молекулы — находятся в постоянном беспорядочном движении. В твёрдых телах это движение практически ограничивается к о – лебанием атомов вокруг определённого положения равновесия. Чем выше температура тела, тем оживлённее ато движение. При определённой температуре твёрдое тело плавится, переходит в жидкость.
Аморфные тела — воск, смола, янтарь, стекло — при нагревании постепенно размягчаются, а затем становятся жидкими. Переход воска из твёрдого состояния в жидкое совершается плавно, и мы не можем сказать точно, какова температура плавления воска.
Иное дело — кристаллические вещества. При нагревании ионы, закреплённые в узлах кристаллической решётки, колеблются всё энергичнее, но, пока решётка сохраняется, кристалл остаётся твёрдым. Только когда колебания ионов усиливаются настолько, что решётка разрушается, появляются первые следы жидкости. Вот почему все кристаллические вещества, в том числе и металлы, имеют совершенно определённую температуру плавления.
Среди металлов встречаются такие, для расплавления которых строят специальные высокотемпературные электрические печи; есть такие, которые плавятся от теплоты руки, а есть и такие, которые плавятся при температуре ниже нуля.
Наиболее легкоплавкие металлы — ртуть и цезий, а самые тугоплавкие — рений и вольфрам. Ниже мы приводим таблицу температур плавления различных металлов:
Температура плавления в градусах Цельсия
Температура плавления в градусах Цельсия
Передача теплоты от одного тела к другому — это переход энергии беспорядочного движения от одних молекул к другим.
Вода, стекло, воздух, дерево, кирпич передают тепло медленно, теплопроводность их низка. Металлы же проводят тепло очень быстро. Чем это объяснить?
Мы уже знаем, что в пространственной решётке металлических кристаллов находятся положительно заряженные атомы металлов — ионы. Они более или менее прочно удерживаются на своих местах. Вокруг ионов беспорядочно движутся свободные электроны. Их можно представить в виде «электронного газа», омывающего кристаллическую решётку. Свободные электроны легко перемещаются внутри решётки и служат хорошими переносчиками теп – ловой энергии от нагретых слоёв металла к холодным.
Высокую теплопроводность металла всегда легко обнаружить. Прикоснитесь в холодную погоду рукой к стене деревянного дома и к железной ограде: железо на ощупь всегда гораздо холоднее, чем дерево, так как железо быстро отводит тепло от руки, а дерево — в сотни раз медленнее. Лучше всех других металлов проводят тепло серебро и золото, затем идут медь, алюминий, вольфрам, магний, цинк и другие. Самые плохие металлические проводники тепла — свинец и ртуть.
Читать также: Домкрат для ремонта авто
Теплопроводность измеряют количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в
1 квадратный сантиметр за 1 минуту. Если теплопроводность серебра условно принять за 100, то теплопроводность меди будет 90, алюминия 27, железа 15, свинца 12, ртути 2, а теплопроводность дерева всего 0,05.
Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее и равномернее он нагревается.
Благодаря своей высокой теплопроводности металлы широко используются в тех случаях, когда необходимо быстрое нагревание или охлаждение. Паровые котлы, аппараты, в которых протекают различные химические процессы при высоких температурах, батареи центрального отопления, радиаторы автомобилей — всё это делается из металлов. Аппараты, которые должны отдавать или поглощать много тепла, чаще всего изготовляются из хороших проводников тепла — меди, алюминия.
Эта листовая продукция надежно устраняет скольжение на поверхности материала. На гладкую сторону листа наносят различные рифления в виде ромба, дуэта, чечевицы, квинтета или любого другого рисунка. Но рифление квинтет и …
Низкоуглеродистую сталь марки aisi 310s купить в интернете по выгодной цене и с оперативной доставкой можно исключительно через онлайн-сервис производителей с репутацией ответственного партнера. Только в таком случае можно рассчитывать …
Изготавливаемые из стали 12х18н10т круг нержавеющий, лист зеркальный — пластичные материалы с ударновязкой структурой, устойчивые к межкристаллитной коррозии.
Таблица характеристик
Металлы и сплавы – непременная основа для ковки
, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (
ювелирные украшения из золота
, ограды из чугуна, ножи из стали или
браслеты из меди)
, для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.
Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.
Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:
- алюминий – 660 °C;
- температура плавления меди – 1083 °C;
- температура плавления золота – 1063 °C;
- серебро – 960 °C;
- олово – 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
- свинец – 327 °C;
- температура плавления железо – 1539 °C;
- температура плавления стали (сплав железа и углерода) – от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
- температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) – от 1100 °C до 1300 °C;
- ртуть – -38,9 °C.
Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл – ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.
Читать также: Инверторный мотор в стиральной машине что это
Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия
– 2519 °C
, у железа – 2900 °C, у меди – 2580 °C, у ртути – 356,73 °C.
У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.
Максимальная температура кипения у металлов – у рения
– 5596 °C
. Наибольшая температура кипения – у наиболее тугоплавящихся материалов.
Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов
. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым – осмий.
У осмия плотность выше, чем у урана
и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа – очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.
Ещё один показатель, встречающийся в таблицах – это теплопроводность металлов
. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл – серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.
Температура плавления, наряду с плотностью, относится к физическим характеристикам металлов
.
Температура плавления металла
– температура, при которой металл переходит из твердого состояния, в котором находится в нормальном состоянии (кроме ртути), в жидкое состояние при нагревании. При плавлении объем металла практически не изменяется, поэтому на температуру плавления нормальное
атмосферное давление не влияет
.
Температура плавления металлов находится в диапазоне от -39 градусов Цельсия до +3410 градусов
. Для большинства металлов температура плавления высокая, однако, некоторые металлы можно расплавить в домашних условиях при нагревании на обычной горелке (олово, свинец).
Классификация металлов по температуре плавления
- Легкоплавкие металлы
, температура плавления которых колеблется
до 600
градусов Цельсия, например
цинк, олово, висмут
. - Среднеплавкие металлы
, которые плавятся при температуре
от 600 до 1600
градусов Цельсия: такие как
алюминий, медь, олово, железо
. - Тугоплавкие металлы
, температура плавления которых достигает
более 1600
градусов Цельсия –
вольфрам, титан, хром
и др. - – единственный металл, находящийся при обычных условиях (нормальное атмосферное давление, средняя температура окружающей среды) в жидком состоянии. Температура плавления ртути составляет порядка -39 градусов
по Цельсию.
Таблица температур плавления металлов и сплавов
650
1000
| Металл | |
| Алюминий | 660,4 |
| Вольфрам | 3420 |
| Дюралюмин | |
| Железо | 1539 |
| Золото | 1063 |
| Иридий | 2447 |
| Калий | 63,6 |
| Кремний | 1415 |
| Латунь | |
| Легкоплавкий сплав | 60,5 |
| Магний | 650 |
| Медь | 1084,5 |
| Натрий | 97,8 |
| Никель | 1455 |
| Олово | 231,9 |
| Платина | 1769,3 |
| Ртуть | –38,9 |
| Свинец | 327,4 |
| Серебро | 961,9 |
| Сталь | 1300-1500 |
| Цинк | 419,5 |
| Чугун | 1100-1300 |
При плавлении металла для изготовления металлических изделий-отливок от температуры плавления зависит выбор оборудования, материала для формовки металла и др. Следует также помнить, что при легировании металла другими элементами температура плавления чаще всего снижается
.
Не стоит путать понятия «температура плавления металла» и «температура кипения металла» – для многих металлов эти характеристики существенно отличаются: так, серебро плавится при температуре 961 градус по Цельсию, а закипает только при достижении нагрева до 2180 градусов.
Температура плавления металла – это минимальная температура, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При плавлении его объем практически не изменяется. Металлы классифицируют по температуре плавления в зависимости от степени нагревания.
Температура плавления металлов
Плавление металла – это определенный термодинамический процесс, при котором кристаллическая решетка металла разрушается и он переходит из твердого фазового состояния в жидкое.
Температура плавления металлов – показатель температуры нагреваемого металла, при достижении которой начинается процесс фазового перехода (плавления). Сам процесс обратный кристаллизации и неразрывно связан с ней. Для того чтобы расплавить металл? его необходимо нагреть, используя внешний источник тепла до температуры плавления, а затем продолжить подвод теплоты для преодоления энергии фазового перехода. Дело в том, что само значение температуры плавления металлов указывает на температуру, при которой материал будет находиться в фазовом равновесии, на границе между жидкостью и твердым телом. При такой температуре чистый металл может существовать одновременно как в твердом, так и в жидком состоянии. Для осуществления процесса плавления необходимо перегреть металл немного больше равновесной температуры, чтобы обеспечить положительный термодинамический потенциал. Дать своеобразный толчок процессу.
Температура плавления металлов постоянна только для чистых веществ. Наличие примесей будет смещать равновесный потенциал в ту или иную сторону. Это происходит потому, что металл с примесями формирует иную кристаллическую решетку, и силы взаимодействия атомов в них будут отличаться от тех, которые присутствуют в чистых материалах.В зависимости от величины температуры плавления, металлы делят на легкоплавкие (до 600°С, такие как галлий, ртуть) , среднеплавкие (600-1600°С, медь, алюминий) и тугоплавкие (>1600°С, вольфрам, молибден).
В современном мире чистые металлы используют редко в силу того, что они имеют ограниченный диапазон физических свойств. Промышленность давно и плотно использует различные комбинации металлов – сплавы, разновидностей и характеристик которых гораздо больше. Температура плавления металлов, входящих в состав различных сплавов, будет также отличаться от температуры плавления их сплава. Разные концентрации веществ обуславливают порядок их плавления или кристаллизации. Но существуют равновесные концентрации, при которых металлы, входящие в состав сплава, затвердевают или плавятся одновременно, то есть ведут себя как однородный материал. Такие сплавы называются эвтектическими.
Знать температуру плавления очень важно при работе с металлом, эта величина необходима как в производстве, для расчета параметров сплавов, так и при эксплуатации металлических изделий, когда температура фазового перехода материала, из которого изделие изготовлено, определяет ограничения при его использовании. Для удобства эти данные сведены в единую таблицу. Таблица плавления металлов – сводный результат физических исследований характеристик различных металлов. Существуют также подобные таблицы и для сплавов. Температура плавления металлов также существенно зависит и от давления, поэтому данные таблицы актуальны для конкретного значения давления (обычно это нормальные условия, когда давление равно 101.325 кПа). Чем выше давление, тем выше температура плавления, и наоборот.
Металлы обладают рядом оригинальных свойств, которые присущи только этим материалам. Существует температура плавления металлов, при которой кристаллическая решетка разрушается. Вещество сохраняет объем, но уже нельзя говорить о постоянстве формы.
В чистом виде отдельные металлы встречают крайне редко. На практике применяют сплавы. У них есть определенные отличия от чистых веществ. При образовании сложных соединений происходит объединение кристаллических решеток между собой. Поэтому у сплавов свойства могут заметно отличаться от составляющих элементов. Температура плавления уже не остается постоянной величиной, она зависит от концентрации входящих в сплав ингредиентов.
Таблица характеристик
Металлы и сплавы — непременная основа для ковки, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (ювелирные украшения из золота, ограды из чугуна, ножи из стали или браслеты из меди), для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.
Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.
Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:
- алюминий — 660 °C;
- температура плавления меди — 1083 °C;
- температура плавления золота — 1063 °C;
- серебро — 960 °C;
- олово — 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
- свинец — 327 °C;
- температура плавления железо — 1539 °C;
- температура плавления стали (сплав железа и углерода) — от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
- температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) — от 1100 °C до 1300 °C;
- ртуть — -38,9 °C.
Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл — ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.
Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия — 2519 °C, у железа — 2900 °C, у меди — 2580 °C, у ртути — 356,73 °C.
У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.
Читать также: Станок для тротуарной плитки своими руками чертежи
Максимальная температура кипения у металлов — у рения — 5596 °C. Наибольшая температура кипения — у наиболее тугоплавящихся материалов.
Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым — осмий. У осмия плотность выше, чем у урана и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа — очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.
Ещё один показатель, встречающийся в таблицах — это теплопроводность металлов. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл — серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.
Каждый металл или сплав обладает уникальными свойствами, в число которых входит температура плавления. При этом объект переходит из одного состояния в другое, в конкретном случае становится из твёрдого жидким. Чтобы его расплавить, необходимо подвести к нему тепло и нагревать до достижения нужной температуры. В момент, когда достигается нужная точка температуры данного сплава, он ещё может остаться в твёрдом состоянии. При продолжении воздействия начинает плавиться.
Наиболее низкая температура плавления у ртути – она плавится даже при -39 °C, самая высокая у вольфрама – 3422 °C. Для сплавов (стали и других) определить точную цифру крайне сложно. Все зависит от соотношения компонентов в них. У сплавов она записывается как числовой промежуток.
Понятие о шкале температур
Некоторые неметаллические предметы тоже обладают похожими свойствами. Самым распространённым является вода. Относительно свойств жидкости, занимающей господствующее положение на Земле, была разработана шкала температур. Реперными точками признаны температура изменения агрегатных состояний воды:
- Превращения из жидкости в твердое вещество и наоборот приняты за ноль градусов.
- Кипения (парообразования внутри жидкости) при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) принята за 100 ⁰С.
Кристаллические решетки металла
В идеальном виде принято считать, что металлам свойственна кубическая решетка (в реальном веществе могут быть изъяны). Между молекулами имеются равные расстояния по горизонтали и вертикали.
Твердое вещество характеризуется постоянством:
- формы, предмет сохраняет линейные размеры в разных условиях;
- объема, предмет не изменяет занимаемое количество вещества;
- массы, количество вещества, выраженное в граммах (килограммах, тоннах);
- плотности, в единице объема содержится постоянная масса.
При переходе в жидкое состояние, достигнув определенной температуры, кристаллические решетки разрушаются. Теперь нельзя говорить о постоянстве формы. Жидкость будет принимать ту форму, в какую ее зальют.
Читать также: Проточка под стопорные кольца
Когда происходит испарение, то постоянным остается только масса вещества. Газ займет весь объем, который будет ему предоставлен. Здесь нельзя утверждать, что плотность постоянная величина.
Когда соединяются жидкости, то возможны варианты:
- Жидкости полностью растворяются одна в другой, так себя ведут вода и спирт. Во всем объеме концентрация веществ будет одинаковой.
- Жидкости расслаиваются по плотности, соединение происходит только на границе раздела. Только временно можно получать механическую смесь. Перемешав разные по свойствам жидкости. Примером является масло и вода.
Образующиеся растворимые друг в друге вещества при застывании образуют кристаллические решетки нового типа. Определяют:
- Гелиоцентрированные кристаллические решетки, их еще называют объёмно-центрированными. В середине находится молекула одного вещества, а вокруг располагаются еще четыре молекулы другого. Принято называть подобные решетки рыхлыми, так как в них связь между молекулами металлов слабее.
- Гранецентрированные кристаллические решетки образуют соединения, в которых молекулы компонента располагаются на гранях. Металловеды называют подобные кристаллические сплавы плотными. В реальности плотность сплава может быть выше, чем у каждого из входящих в состав компонентов (алхимики средних веков искали варианты сплавов, при которых плотность будет соответствовать плотности золота).
Температура плавления металлов
Разные вещества имеют различную температуру плавления. Принято делить металлы на:
- Легкоплавкие – их достаточно нагревать до 600 ⁰С, чтобы получать вещество в жидком виде.
- Среднеплавкие металлы расплавляются в диапазоне температур 600…1600 ⁰С.
- Тугоплавкими называют металлы, которые могут расплавляться при температуре более 1600 ⁰С.
В таблице по возрастанию показаны легкоплавкие металлы. Здесь видно, что самым необычным металлом является ртуть (Hg). В обычных условиях она находится в жидком состоянии. Этот металл имеет самую низкую температуру плавления.
Таблица 1, температуры плавления и кипения легкоплавких металлов:
Таблица 2, температуры плавления и кипения среднеплавких металлов:
Таблица 3, температуры плавления и кипения тугоплавких металлов:
Чтобы вести процесс плавки используют разные устройства. Например, для выплавки чугуна применяют доменные печи. Для плавки цветных металлов производят внутренний нагрев с помощью токов высокой частоты.
В изложницах, изготовленных из неметаллических материалов, находятся цветные металлы в твердом состоянии. Вокруг них создают переменное магнитное поле СВЧ. В результате кристаллические решетки начинают расшатываться. Молекулы вещества приходят в движение, что вызывает разогрев внутри всей массы.
При необходимости плавки небольшого количества легкоплавких металлов используют муфельные печи. В них температура поднимается до 1000…1200 ⁰С, что достаточно для плавки цветных металлов.
Черные металлы расплавляют в конвекторах, мартенах и индукционных печах. Процесс идет с добавлением легирующих компонентов, улучшающих качество металла.
Сложнее всего проводить работу с тугоплавкими металлами. Проблема в том, что нужно использовать материалы, имеющие температуру более высокую, чем температура плавления самого металла. В настоящее время авиационная промышленность рассматривает использование в качестве конструкционного материала Титан (Ti). При высокой скорости полета в атмосфере происходит разогрев обшивки. Поэтому нужна замена алюминию и его сплавам (AL).
Прочность металлов
Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.
Существуют следующие группы прочности металлов:
- Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
- Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
- Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.
Таблица прочности металлов
| Металл | Сопротивление, МПа |
| Медь | 200−250 |
| Серебро | 150 |
| Олово | 27 |
| Золото | 120 |
| Свинец | 18 |
| Цинк | 120−140 |
| Магний | 120−200 |
| Железо | 200−300 |
| Алюминий | 120 |
| Титан | 580 |
Сплавы металлов
Чтобы проектировать изделия из сплавов, сначала изучают их свойства. Для изучения в небольших емкостях расплавляют изучаемые металлы в разном соотношении между собой. По итогам строят графики.
Нижняя ось представляет концентрацию компонента А с компонентом В. По вертикали рассматривают температуру. Здесь отмечают значения максимальной температуры, когда весь металл находится в расплавленном состоянии.
При охлаждении один из компонентов начинает образовывать кристаллы. В жидком состоянии находится эвтектика – идеальное соединение металлов в сплаве.
Металловеды выделяют особое соотношение компонентов, при котором температура плавления минимальная. Когда составляют сплавы, то стараются подбирать количество используемых веществ, чтобы получать именно эвтектоидный сплав. Его механические свойства наилучшие из возможных. Кристаллические решетки образуют идеальные гранецентрированные положения атомов.
Изучают процесс кристаллизации путем исследования твердения образцов при охлаждении. Строят специальные графики, где наблюдают, как изменяется скорость охлаждения. Для разных сплавов имеются готовые диаграммы. Отмечая точки начала и конца кристаллизации, определяют состав сплава.
Среднеплавкие металлы
Среднеплавкие металлы начинают переходить из твердого в жидкое состояние при температуре от 600°C до 1600°C. Они используются для изготовления плит, арматур, блоков и других металлических конструкций, пригодных для строительства. К этой группе металлов относятся железо, медь, алюминий, они также входят в состав многих сплавов. Медь добавляют в сплавы драгоценных металлов, таких как золото, серебро, платина. Золото 750 пробы на 25% состоит из лигатурных металлов, в том числе и меди, которая придает ему красноватый оттенок. Температура плавления этого материала равна 1084 °C. А алюминий начинает плавиться при относительно низкой температуре, составляющей 660 градусов Цельсия. Это легкий пластичный и недорогой металл, который не окисляется и не ржавеет, поэтому широко используется при изготовлении посуды. Температура плавления железа равна 1539 градусов. Это один из самых популярных и доступных металлов, его применение распространено в строительстве и автомобильной промышленности. Но ввиду того, что железо подвергается коррозии, его нужно дополнительно обрабатывать и покрывать защитным слоем краски, олифы или не допускать попадания влаги.
Читать также: Из этилена получить ацетилен
Сплавы для пайки
На практике многие сталкиваются с плавлением при пайке деталей. Если поверхности соединяемых материалов очищены от загрязнений и окислов, то их нетрудно спаять припоями. Принято делить припои на твердые и мягкие. Мягкие получили наибольшее распространение:
- ПОС-15 — 278…282 °C;
- ПОС-25 — 258…262 °C;
- ПОС-33 — 245…249 °C;
- ПОС-40 — 236…241 °C;
- ПОС-61 — 181…185 °C;
- ПОС-90 — 217…222 °C.
Их выпускают для предприятий, изготавливающих разные радиотехнические приборы.
Твердые припои на основе цинка, меди, серебра и висмута имеют более высокую температуру плавления:
- ПСр-10 — 825…835 °С;
- ПСр-12 — 780…790 °С;
- ПСр-25 — 760…770 °С;
- ПСр-45 — 715…721 °С;
- ПСр-65 — 738…743 °С;
- ПСр-70 — 778…783 °С;
- ПМЦ-36 — 823…828 °С;
- ПМЦ-42 — 830…837 °С;
- ПМЦ-51 — 867…884 °С.
Использование твердых припоев позволяет получать прочные соединения.
Внимание! Ср означает, что в составе припоя использовано серебро. Такие сплавы обладают минимальным электрическим сопротивлением.
Температура плавления неметаллов
Неметаллические материалы могут быть представлены в твердом и жидком виде. Неорганические вещества представлены в табл. 4.
Таблица 4, температура плавления неорганических неметаллов:
На практике для пользователей наибольший интерес представляют органические материалы: полиэтилен, полипропилен, воск, парафин и другие. Температура плавления некоторых веществ показана в табл. 5.
Таблица 5, температура плавления полимерных материалов:
Внимание! Под температурой стеклования понимают состояние, когда материал становится хрупким.
Видео: температура плавления известных металлов.
