Сообщение о плавлении металлов

Обновлено: 30.06.2024

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристаллизации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени t_нач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает гореть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный участок графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду, температура снова начинает подниматься (участок CD). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой поместить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (горизонтальный участок EF). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия молекул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD) означает увеличение кинетической энергии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвердевании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, превращаясь в жидкость (участок ВС). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром, молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С. Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Недаром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ .

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, сначала становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Теплота плавления .

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой λ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Теплота сгорания .

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

При сварке происходит воздействие высокой температуры на детали, поэтому очень важно придавать значение температуре плавления металлов, учитывая её в процессе работы, так как данные показатели играют немаловажную роль в параметрах тока. В горелке, при сгорании газа в момент действия электрической дуги, создается тепловая мощь для того, чтобы подвергнуть разрушению кристаллическую решетку металла. Характеристикам плавления металлов уделяют внимание при подборе материала для сооружения узлов, подвергающихся силе трения или же конструкций из металла, которые испытывают воздействие температур.

Что такое температура плавления?

Чтобы узнать при какой температуре плавится металл, в лабораторных условиях, точку старта в начале процесса плавления вычисляют до сотой градусной доли. При этом данный показатель не находится в зависимости от усилия при давлении на деталь.

При создании определенного давления в условиях вакуума, заготовки из металла имеют одинаковую температуру плавления. Данное явление можно объяснить накоплением энергии внутри вещества, при которой разрушаются связи между молекулами.

Разница между температурой плавления и кипения

Температурой плавления металлов называют точку перехода твердокристаллического вещества в жидкое состояние. В составе расплава у молекул нет собственного места расположения, они удерживаются за счет силы притяжения, поэтому в разжиженном состоянии сохраняется объем, но теряется форма.

В процессе кипения происходит потеря молекулярного объема, а молекулы вяло взаимодействуют друг с другом, двигаясь хаотично в разных направлениях, отставая от поверхности. Температурой кипения называется процесс, при котором уровень давления металлического пара уравновешивается с давлением внешней среды.

Кристаллические решетки металла

Под воздействием высокой температуры на металлическую деталь, возникают изменения в ее кристаллической решетке на молекулярном уровне. Это увеличивает скорость движения молекул. При критической температуре происходит распад молекулярной структуры металла, потому что межмолекулярные связи не в состоянии производить удержание в узловой структуре решетки. И вместо колеблющихся движений в узле возникают хаотичные, разнонаправленные движения, образуя ванну расплава в точках плавления.

Температура плавления различных металлов

Согласно знаниям из раздела физики, процесс превращения твердого вещества в жидкое имеется лишь у тел с кристаллической решеткой. Температура плавления металлов и сплавов возникает в различном диапазоне значений. Но, с точностью высчитать пограничную температуру фазовых состояний у сплавов весьма проблематично. У чистых элементов имеет значимость каждый градус, если это составы с легкой плавкостью.

Железо

Температура плавления железных составов должна быть высокой. Если элемент обладает технической чистотой, то он плавится при температуре 1 539 °C. В составе его вещества присутствуют включения серы, поэтому для её извлечения необходимо жидкое состояние. Также очищенное железо получается в процессе электролиза солей металла.

Чугун

Чугун считается самым лучшим материалом для плавления. Он имеет хорошие показатели жидкой текучести и усадки, поэтому его эффективно использовать в процессе литья. Ниже будут приведены показатели температурного кипения чугуна:

Серая разновидность чугуна, у которой температурный режим доходит до отметки 1 260 °C. А при разливе его в формы, увеличивается до 1 400 °C.

Белая разновидность чугуна, у которого температура поднимается до 1 350 °C.

Одним из немаловажных моментов является то, что температура, которой обладает чугун, на 400 единиц меньше той же стали. Поэтому процесс обработки данного материала менее энергозатратен.

Сталь, температура плавления

Средняя температура плавления стали составляет 1400 °C.

Сталью называется железосодержащий сплав с включением углерода. Её основной характеристикой является прочность. Это достигается за счет того, что она долгое время сохраняет параметры объема и формы. При этом расположение молекул в веществе находится в сбалансированном состоянии. Именно поэтому достигается равновесие между силой притяжения и силой отталкивания.

Диапазон плавления стали выше, чем у чугуна, поэтому она более энергозатратна.

Нержавеющая сталь

Температура плавления нержавеющей стали колеблется в среднем диапазоне между чугуном и сталью. Нержавеющей сталью называется вещество из легированной стали, обладающее антикоррозийными свойствами за счет содержания хрома в своем составе от 11% процентов и больше.

Показатели температуры плавления нержавейки составляют от 1 300 до 15 000 °C.

Алюминий и медь

Температура плавления алюминия составляет 6 600 °C, поэтому он зарекомендовал себя в качестве одного из среднеплавких металлов. Плавление чистых медных составов происходит при температуре 10 830 °C, а сплавов – 930 — 11 400 °C.

Серебро и золото

Серебро в чистом виде плавится при температуре 9 620 °C. При этом при температуре плавления серебра, оно может сравниться с температурой плавления в градусах со сплавами из меди.

Золото плавится при температуре в 10 640 °C.

Ртуть

Ртуть обладает самой низкой температурой плавления с отрицательным значением. Она составляет — 38,80 °C.

Какой металл обладает самой высокой температурой плавления?

У вольфрама самая высокая температура плавления, которая составляет 34 220 °C. Он относится к самым тугоплавким металлам. Очень тяжел, с виду серых оттенков, имеет характерный блеск и практически не поддается стандартной обработке. В помещениях с комнатной температурой быстро ломается и крошится. И ломается из-за того, что содержит включения кислорода и углерода.

Таблица температур плавления

Легкоплавкие металлы
Литий	+ 180 °C
Калий	+ 63,60 °C
Индий	+ 156,60 °C
Олово	+ 2 320 °C
Таллий	+ 3 040 °C
Кадмий	+ 3 210 °C
Свинец	+ 3 270 °C
Цинк	+ 4 200 °C
Среднеплавкие металлы
Магний	+ 6 500 °C
Алюминий	+ 6 600 °C
Барий	+ 7 270 °C
Серебро	+ 9 600 °C
Золото	+10 630 °C
Марганец	+ 12 460 °C
Медь	+ 10 830 °C
Никель	+ 14 550 °C
Кобальт	+ 14 950 °C
Железо	+ 15 390 °C
Дюралей	+ 6 500 °C
Латунь	+ 950 – 10 500 °C
Чугун	+ 1 100 – 13 000 °C
Тугоплавкие металлы
Титан	+ 16 800 °C
Платина	+ 17 690 °C
Хром	+ 19 070 °C
Цирконий	+ 18 550 °C
Ванадий	+ 19 100 °C
Иридий	+ 24 470 °C
Молибден	+ 26 230 °C
Тантал	+ 30 170 °C
Вольфрам	+ 34 200 °C

От чего зависит температура плавления?

У различных материалов различается, и температура их плавления, при которой происходит коренное перестраивание решетки до состояния жидкости. Металлические изделия и изделия из сплавов имеют следующие особенности:

Процесс плавления

Плавление любого металла осуществляется по одинаковой схеме с помощью нагрева внешнего или внутреннего типа. В первом варианте материал подвергается плавке в специальной печи, во втором применяется резистивная методика нагрева. При данной методике через вещество пропускается ток, либо он может быть индукционным нагревом в электромагнитном поле высокой частоты. В обоих случаях достигается одинаковый результат.

Типы сплавов металлов

Типы металлических сплавов различаются на основе температуры плавления, поэтому выделяют следующие варианты сплава:

Легкоплавкий (олово, цинк, свинец, висмут) с температурой плавления не больше 600 °C.
Среднеплавкий (алюминий, магний, никель, железо) с температурой 600 — 1 600 °C.
Тугоплавкий (молибден, вольфрам, титан) с температурой более 1 600 °C.

Далее расскажем немного о разновидностях сталей, о сплаве вуда и припоях.

Особенности углеродистой стали

В данном материале содержится примесь углерода, примерно 2,13 %. При этом он лишен легирующих добавок, но есть примеси кремния, марганца и магния.

Особенности легированной стали

Помимо содержания углерода и железа в неё добавляют дополнительные элементы, улучшающие её свойства.

Особенности нержавейки

Нержавеющая сталь отлична от углеродистой из-за содержания элемента хрома в своем составе, благодаря свойствам которого она не подвержена окислению, а, следовательно, покрытию ржавчиной.

Особенности инструментальной стали

Также обладает углеродистым составом (0,8 – 0,9 %). Демонстрирует твердость, прочность, хорошо поддаются обработке. Используется в изготовлении инструментов, например, медицинских.

Сплав Вуда

Представляет собой материал, применяемый при паянии деталей для радиоприемников, а также в гальванической пластике, при работе в лабораторных условиях с ядохимикатами.

Сплавы для пайки

Другое их название – припои. Материалы для припоев бывают различными. Все зависит от того, что входит в состав материалов, которые необходимо соединить. К примеру, алюминий требует один сплав припоя, а вот медь уже совершенно другой.

Температура плавления неметаллов

У неметаллов также существует свой диапазон плавления, который колеблется от температуры в 38 000°C, которой обладает графит до температуры в — 2 100 °C у азота. Это потому, что неметаллы способны к образованию кристаллических решеток двух вариантов: молекулярной (у кислорода, азота, фосфора и т.д.) и атомной (графит, алмаз, бор, кремний и т.д.).

Надеемся, что статья была полезной, если остались вопросы — задавайте в комментарии!

Литье металлов – это процесс заливки расплавленных металлов в специально подготовленные формы. С помощью литья в полые формы, можно получить заготовки очень сложной конфигурации, изготовление которых при ковке или штамповке невозможно – это корпуса автомобильных двигателей, водопроводные краны и задвижки, рабочие колеса турбин.

Для литейного производства используют железо-углеродистые сплавы, обладающие по своим физико-механическим свойствам низкой температурой плавления, высокой текучестью, устойчивостью к образованию трещин и раковин. Чем дольше горячий металлический сплав остается в жидком состоянии, тем быстрее он заполнит форму и преждевременно не затвердеет.

К таким легкоплавким и текучим материалам относятся:

черные металлы – чугуны и литейные стали;
цветные металлы - алюминий, магний, титан, бронза, латунь.

Для плавления металлов на производстве используют печи на твердом, жидком, газообразном топливе; электрические и индукционные печи.

Готовые отливки получают с помощью одно- и многоразовых форм, предназначенных для литья уникальных деталей или для серийного и массового производства:

песчано-глинистые формы – это предварительно изготовленные деревянные конструкции, состоящие из двух половинок, которые устанавливаются на формовочную смесь и заливаются горячим металлом; применяются в единичном производстве;
кокиль – это разъемные металлические формы, скрепленные между собой стержнями; используют для литья большого количества одинаковых деталей из чугуна;
литье под давлением – применяют для изготовления стальных отливок, ускоряя течение стали по кокилю с помощью сжатого воздуха или поршня;
формы из полистирола – используют для производства отливок сложных форм с большим количеством мелких деталей и отверстий.

После остывания и затвердения металла в формах, готовые отливки вынимают и очищают с помощью специальных инструментов.

Литейное производство – это сложный технологический процесс, в котором используются научные разработки в области физики, химии и материаловедения. Усовершенствование и улучшение свойств литейных сплавов оказывает непосредственное влияние на качество, точность и шероховатость получаемых отливок.

Способы литья металлов

Литье в землю. Данный метод является самым старинным. В древности металл выливали в формы, сделанные из глины и песка или в землю. Вроде ничего сверхъестественного, но непосредственно перед выливанием происходит большая подготовительная работа.

Изначально подготавливается в цехе модель для отливки, деревянная или металлическая. Модель помещается в землю или формовочную смесь. После модель вынимается и получается форма. Теперь в формы подается жидкий металл. Когда он застынет, заготовку извлекут из формы и доработают на шлиф станках.

Отливка в кокиль. Но, сегодня используются более новые способы отливки металла. Заливка в кокиль более совершенна и имеет ряд превосходств перед отливкой в землю. Металл твердеет достаточно быстро и при помощи одного кокиля можно отлить не менее ста заготовок. Но, в кокиль можно отливать только жидкотекучие металлы. Те материалы, которые не обладают нужной текучестью, подают под давлением, но уже не в кокиль, а в пресс форму. Кокиль уже не выдержит давления, а форма изготавливается из прочной стали.

Выплавляемые модели. Кроме моделей из металла или дерева, довольно давно смогли изготовить модель из парафина или другого легкоплавкого вещества. Такой вид модели для отливки металла покрывается специальной оболочкой и потом сформовывается в опоку. Сама модель при отливке расплавится, поэтому перед отливкой ничего извлекать не нужно, при этом точность и качество отливки данным способом очень высокое.

Литье металла в оболочку. Данный способ выгоден тогда, когда будущая заготовка не должна обладать строго точными размерами. Такие формы изготавливают из песка и смолы. Изначально предварительно изготавливают две половины модели и кладут их на плиту, которая разогрета до 250 градусов. На них насыпают смесь, которая и образует форму. Потом две готовые формы соединяют и заливают в них металл.

Центробежный метод отливки. Этот способ подходит для отливки заготовок, которые имеют форму тел вращения. Например, обода, трубы, шестеренки и другие детали. Форма во время заливки в нее металла вращается, при этом металл хорошо обволакивает стенки формы. Данный способ может похвастаться хорошим качеством изделий.

Электрошлак. Данный способ является современным. Данный способ довольно хорош для тех случаев, когда сложность отливки не велика. Например, с помощью электрошлакового литья выливают коленчатые валы.