Właściwości fizyczne metali. Temperatura topnienia i gęstość metali i stopów

Temperatura topnienia metali, która waha się od najmniejszej (-39°C dla rtęci) do najwyższej (3400°C dla wolframu), a także gęstość metali w stanie stałym przy 20°C i gęstość cieczy metale w temperaturze topnienia podane są w tabeli topnienia metali nieżelaznych .

Tabela 1. Topienie metali nieżelaznych

Spawanie i topienie metali nieżelaznych

Spawanie miedzi . Temperatura topnienia metalu Cu jest prawie sześciokrotnie wyższa niż temperatura topnienia stali, miedź intensywnie pochłania i rozpuszcza różne gazy, tworząc tlenki z tlenem. Tlenek miedzi II z miedzią tworzy eutektykę, której temperatura topnienia (1064°C) jest niższa niż temperatura topnienia miedzi (1083°C). Kiedy ciekła miedź krzepnie, eutektyka znajduje się wzdłuż granic ziaren, co powoduje, że miedź jest krucha i podatna na pękanie. Dlatego głównym zadaniem przy spawaniu miedzi jest ochrona jej przed utlenianiem i aktywnym odtlenianiem jeziorka spawalniczego.

Najczęstsze spawanie gazowe miedzi płomieniem acetylenowo-tlenowym przy użyciu palników, które są 1,5 ... 2 razy mocniejsze niż palnik do spawania stali. Spoiwem są pręty miedziane zawierające fosfor i krzem. Jeżeli grubość wyrobów jest większa niż 5...6 mm, są one najpierw podgrzewane do temperatury 250...300°C. Topniki w spawaniu to palony boraks lub mieszanka składająca się z 70% boraksu i 30% kwas borowy. Zwiększyć właściwości mechaniczne oraz poprawiają strukturę osadzanego metalu, miedź po spawaniu jest kuta w temperaturze ok. 200...300 °C. Następnie jest ponownie podgrzewany do 500-550°C i chłodzony w wodzie. Miedź jest również spawana łukiem elektrycznym z elektrodami, w strumieniu gazów ochronnych, pod warstwą topnika, na maszynach kondensatorowych metodą tarcia.

spawanie mosiądzu . Mosiądz to stop miedzi i cynku (do 50%). Głównym zanieczyszczeniem w tym przypadku jest odparowanie cynku, w wyniku którego szew traci swoje właściwości, pojawiają się w nim pory. Mosiądz, podobnie jak miedź, jest spawany głównie płomieniem utleniającym acetylen, który tworzy na powierzchni kąpieli film ogniotrwałego tlenku cynku, co ogranicza dalsze wypalanie i odparowywanie cynku. Topniki są używane tak samo jak do spawania miedzi. Tworzą na powierzchni wanny żużle, które wiążą tlenki cynku i utrudniają wydostawanie się oparów z jeziorka spawalniczego. Mosiądz jest również spawany w gazach ochronnych i na maszynach stykowych.

spawanie brązu . W większości przypadków brąz jest materiałem odlewniczym, więc

spawanie jest stosowane podczas korygowania wad lub podczas napraw. Najczęściej stosowane spawanie elektrodą metalową. Spoiwo to pręty o takim samym składzie jak metal nieszlachetny, a topniki lub powłoka elektrody są związkami chlorków i fluorków potasu i sodu.

. Głównymi czynnikami utrudniającymi spawanie aluminium są jego niska temperatura topnienia (658°C), wysoka przewodność cieplna (około 3 razy większa niż przewodność cieplna stali), powstawanie ogniotrwałych tlenków glinu, które mają temperaturę topnienia 2050° C, czyli technologia topienia metali nieżelaznych , taki jak miedź lub brąz nie nadaje się do wytopu aluminium. Ponadto tlenki te słabo reagują zarówno z topnikami kwasowymi, jak i zasadowymi, przez co są słabo usuwane ze spoiny.

Najczęściej stosowanym płomieniem do spawania gazowego aluminium z acetylenem. W ostatnie lata Powszechne stało się również spawanie łukiem krytym i automatyczne spawanie łukowe na bazie argonu za pomocą elektrod metalowych. Do wszystkich metod spawania, z wyjątkiem łuku argonowego, stosuje się topniki lub powłoki elektrod, które zawierają związki fluoru i chloru litu, potasu, sodu i innych pierwiastków. Jako spoiwo do wszystkich metod spawania stosuje się drut lub pręty o tym samym składzie, co metal podstawowy.

Aluminium jest dobrze spawane wiązką elektronów w próżni, na maszynach stykowych, elektrożużlami i innymi metodami.

Spawanie stopów aluminium . Stopy aluminium z magnezem i cynkiem są spawane bez

specjalne komplikacje, a także aluminium. Wyjątkiem jest duraluminium – stopy aluminium z miedzią. Stopy te są utwardzane termicznie po hartowaniu i późniejszym starzeniu. Gdy temperatura topnienia metali nieżelaznych przekracza 350°C, następuje w nich spadek wytrzymałości, który nie jest przywracany przez obróbkę cieplną. Dlatego podczas spawania duraluminium w strefie wpływu ciepła wytrzymałość spada o 40 ... 50%. Jeśli duraluminium jest spawane w gazach ochronnych, wówczas taki spadek można przywrócić poprzez obróbkę cieplną do 80 ... 90% w stosunku do wytrzymałości metalu podstawowego.

Spawanie stopów magnezu . W spawaniu gazowym koniecznie stosuje się topniki fluorkowe, które w przeciwieństwie do topników chlorkowych nie powodują korozji złączy spawanych. Spawanie łukowe stopów magnezu elektrodami metalowymi przez słabą jakość spoin nie było dotychczas stosowane. Podczas spawania stopów magnezu obserwuje się znaczny wzrost ziarna w obszarach bliskich zgrzewu i silny rozwój kryształy kolumnowe w spoinie. Dlatego wytrzymałość na rozciąganie złączy spawanych wynosi 55 ... 60% wytrzymałości na rozciąganie metalu nieszlachetnego.

Tabela 2. Właściwości fizyczne przemysłowych metali nieżelaznych

Topienie tygla

Integralną częścią produkcji wyrobów metalowych i metalowych jest ich użytkowanie podczas proces produkcji tygle do produkcji, wytopu i przetopu metali żelaznych i nieżelaznych. Tygle są integralną częścią wyposażenia metalurgicznego do odlewania różnych metali, stopów i tym podobnych.

Tygiel ceramiczny do topienia metali nieżelaznych był używany do topienia metali (miedzi, brązu) od czasów starożytnych.

Po krystalizacji należy upewnić się, że substancja jest wystarczająco czysta. Najprostszą i najskuteczniejszą metodą identyfikacji i określenia miary czystości substancji jest określenie jej temperatury topnienia ( T pl). Temperatura topnienia to zakres temperatur, w którym ciało stałe staje się płynne. Wszystkie czyste związki chemiczne mają wąski zakres temperatur przejścia ze stanu stałego w ciecz. Ten zakres temperatur dla czystych substancji wynosi maksymalnie 1-2 o C. Wykorzystanie temperatury topnienia jako miary czystości substancji opiera się na fakcie, że obecność zanieczyszczeń (1) obniża temperaturę topnienia i ( 2) rozszerza zakres temperatur topnienia. Na przykład czysta próbka kwasu benzoesowego topi się w zakresie 120–122°C, podczas gdy próbka lekko zanieczyszczona topi się w temperaturze 114–119°C.

Wykorzystanie temperatury topnienia do identyfikacji jest oczywiście obarczone wielką niepewnością, ponieważ istnieje kilka milionów związków organicznych, a temperatury topnienia wielu z nich nieuchronnie pokrywają się. Jednak po pierwsze, T mp substancji otrzymanej w syntezie prawie zawsze różni się od T pl związki wyjściowe. Po drugie, można zastosować technikę „określania temperatury topnienia próbki mieszanej”. Jeśli T mp mieszaniny równych ilości substancji badanej i znanej próbki nie różni się od T pl tego ostatniego, to obie próbki są tą samą substancją.

METODA OKREŚLANIA TEMPERATURY TOPIENIA. Dokładnie rozetrzeć badaną substancję na drobny proszek. Kapilara jest wypełniona substancją (wysokość 3-5 mm; kapilara powinna być cienkościenna, jednostronnie uszczelniona, o średnicy wewnętrznej 0,8-1 mm i wysokości 3-4 cm). Aby to zrobić, ostrożnie wciśnij kapilarę otwartym końcem w proszek substancji i co jakiś czas uderzaj jej uszczelnionym końcem o powierzchnię stołu 5–10 razy. Aby całkowicie przemieścić proszek do uszczelnionego końca kapilary, wrzuca się go do pionowej szklanej rurki (o długości 30–40 cm i średnicy 0,5–1 cm) na twardej powierzchni. Włóż kapilarę do metalowej kasety zamocowanej na czubku termometru (rys. 3.5) i umieść termometr z kasetą w urządzeniu w celu określenia temperatury topnienia.

W urządzeniu termometr z kapilarami jest podgrzewany przez cewkę elektryczną, do której napięcie dostarczane jest przez transformator, a szybkość nagrzewania zależy od przyłożonego napięcia. Najpierw urządzenie jest podgrzewane z szybkością 4–6 ° C na minutę i 10 ° C przed oczekiwanym T pl jest podgrzewany z szybkością 1–2 o C na minutę. Temperaturę topnienia przyjmuje się jako odstęp od zmiękczenia kryształów (zwilżenia substancji) do ich całkowitego stopienia.

Uzyskane dane są zapisywane w dzienniku laboratoryjnym.

1. Destylacja

Destylacja jest ważną i szeroko stosowaną metodą oczyszczania cieczy organicznych i rozdzielania mieszanin cieczy. Metoda ta polega na gotowaniu i odparowywaniu cieczy, a następnie kondensacji oparów w destylat. Oddzielenie dwóch cieczy o różnicy temperatur wrzenia 50–70 ° C lub większej można przeprowadzić przez prostą destylację. Jeśli różnica jest mniejsza, destylacja frakcyjna musi być zastosowana w bardziej wyrafinowanym aparacie. Niektóre ciecze o wysokich temperaturach wrzenia rozkładają się podczas destylacji. Jednak wraz ze spadkiem ciśnienia temperatura wrzenia spada, co umożliwia destylację wysokowrzących cieczy bez rozkładu w próżni.

W którym sieć krystaliczna metalu ulega zniszczeniu i przechodzi ze stanu stałego do stanu ciekłego.

Temperatura topnienia metali jest wskaźnikiem temperatury nagrzanego metalu, po osiągnięciu której rozpoczyna się proces (topienie). Sam proces jest odwrotnością krystalizacji i jest z nią nierozerwalnie związany. Stopić metal? musi być podgrzewany za pomocą źródło zewnętrzne podgrzać do temperatury topnienia, a następnie kontynuować dostarczanie ciepła, aby przezwyciężyć energię przemiany fazowej. Faktem jest, że sama wartość temperatury topnienia metali wskazuje na temperaturę, w której materiał będzie w równowadze fazowej, na granicy cieczy i ciała stałego. W tej temperaturze czysty metal może istnieć jednocześnie zarówno w stanie stałym, jak i ciekłym. Aby przeprowadzić proces topienia, konieczne jest przegrzanie metalu nieco powyżej temperatury równowagi, aby zapewnić dodatni potencjał termodynamiczny. Wzmocnij proces.

Temperatura topnienia metali jest stała tylko dla czystych substancji. Obecność zanieczyszczeń przesunie potencjał równowagi w jednym lub drugim kierunku. Dzieje się tak dlatego, że metal z zanieczyszczeniami tworzy inną sieć krystaliczną, a siły oddziaływania atomów w nich zawarte będą się różnić od tych występujących w czystych materiałach.W zależności od temperatury topnienia metale dzielą się na topliwe (do 600 °C, takie jak np. gal, rtęć), średniotopliwe (600-1600°C, miedź, aluminium) i ogniotrwałe (>1600°C, wolfram, molibden).

W nowoczesny świat czyste metale są rzadko używane ze względu na ograniczony zasięg właściwości fizyczne. Przemysł od dawna i gęsto używany różne kombinacje metale - stopy, których odmiany i właściwości są znacznie większe. Temperatura topnienia metali, które składają się na różne stopy, będzie również różnić się od temperatury topnienia ich stopu. Różne stężenia substancji określają kolejność ich topnienia lub krystalizacji. Istnieją jednak stężenia równowagowe, przy których metale tworzące stop krzepną lub topią się jednocześnie, to znaczy zachowują się jak materiał jednorodny. Takie stopy nazywane są eutektycznymi.

Znajomość temperatury topnienia jest bardzo ważna przy pracy z metalem, wartość ta jest niezbędna zarówno w produkcji, do obliczania parametrów stopów, jak i w eksploatacji wyrobów metalowych, gdy decyduje temperatura przemiany fazowej materiału, z którego wykonany jest wyrób. ograniczenia w jego stosowaniu. Dla wygody dane te są podsumowane w pojedynczym topieniu metali – wynik sumaryczny badania fizyczne charakterystyka różnych metali. Istnieją również podobne tabele dla stopów. Temperatura topnienia metali również w znacznym stopniu zależy od ciśnienia, dlatego dane w tabeli dotyczą określonej wartości ciśnienia (zazwyczaj jest to normalne warunki gdy ciśnienie wynosi 101,325 kPa). Im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura topnienia i odwrotnie.

W przemyśle metalurgicznym jednym z głównych obszarów jest odlewanie metali i ich stopów ze względu na taniość i względną prostotę procesu. Można odlewać formy o dowolnych konturach o różnych wymiarach, od małych do dużych; nadaje się zarówno do produkcji masowej, jak i produkcji niestandardowej.

Odlewanie jest jednym z najstarszych obszarów pracy z metalami i rozpoczyna się około epoki brązu: 7-3 tysiąclecia pne. mi. Od tego czasu odkryto wiele materiałów, co doprowadziło do postępu technologicznego i zwiększonych wymagań w przemyśle odlewniczym.

Obecnie istnieje wiele kierunków i rodzajów odlewów, różniących się między sobą proces technologiczny. Jedna rzecz pozostaje niezmieniona - fizyczna właściwość metali, aby przejść ze stanu stałego w ciecz, i ważne jest, aby wiedzieć, w jakiej temperaturze zaczyna się topienie różne rodzaje metale i ich stopy.

proces topienia metalu

Proces ten odnosi się do przejścia substancji ze stanu stałego do stanu ciekłego. Po osiągnięciu temperatury topnienia metal może być zarówno w stanie stałym, jak i ciekłym, dalszy wzrost doprowadzi do całkowitego przejścia materiału w ciecz.

To samo dzieje się podczas krzepnięcia - po osiągnięciu granicy topnienia substancja zacznie przechodzić ze stanu ciekłego do stanu stałego, a temperatura nie zmieni się aż do całkowitej krystalizacji.

Jednocześnie należy pamiętać, że ta reguła dotyczy tylko gołego metalu. Stopy nie mają wyraźnej granicy temperatur i dokonują przejścia stanów w pewnym zakresie:

1. Solidus - linia temperatury, przy której najbardziej topliwy składnik stopu zaczyna się topić.
2. Liquidus to ostateczna temperatura topnienia wszystkich składników, poniżej której zaczynają pojawiać się pierwsze kryształy stopu.

Nie można dokładnie zmierzyć temperatury topnienia takich substancji, punkt przejścia stanów wskazuje przedział liczbowy.

W zależności od temperatury, w której rozpoczyna się topienie metali, zwykle dzieli się je na:

• Topliwy do 600 °C. Należą do nich cynk, ołów i inne.
• Średniotopliwy, do 1600 °C. Najczęściej spotykane stopy i metale, takie jak złoto, srebro, miedź, żelazo, aluminium.
• Materiał ogniotrwały, powyżej 1600 °C. Tytan, molibden, wolfram, chrom.

Istnieje również punkt wrzenia - punkt, w którym stopiony metal zaczyna przechodzić w stan gazowy. To jest bardzo ciepło, zwykle 2-krotność temperatury topnienia.

Wpływ ciśnienia

Temperatura topnienia i równa jej temperatura krzepnięcia zależą od ciśnienia, które wzrasta wraz z jego wzrostem. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem ciśnienia atomy zbliżają się do siebie i aby zniszczyć sieć krystaliczną, muszą zostać odsunięte. Na wysokie ciśnienie krwi wymagana jest większa energia ruchu termicznego i odpowiadająca jej temperatura topnienia wzrasta.

Są wyjątki, kiedy temperatura wymagana do przejścia w stan ciekły spada wraz ze wzrostem ciśnienia. Do takich substancji należą lód, bizmut, german i antymon.

Tabela temperatury topnienia

Dla każdego, kto zajmuje się przemysłem stalowym, bez względu na to, czy jest to spawacz, odlewnik, hutnik czy jubiler, ważne jest, aby wiedzieć, w jakich temperaturach topią się materiały, z którymi pracują. Poniższa tabela przedstawia temperatury topnienia najpopularniejszych substancji.

Tabela temperatur topnienia metali i stopów

Oprócz stołu do topienia istnieje wiele innych materiałów pomocniczych. Na przykład odpowiedź na pytanie, jaka jest temperatura wrzenia żelaza, znajduje się w tabeli wrzących substancji. Oprócz wrzenia metale mają szereg innych właściwości fizycznych, takich jak wytrzymałość.

Oprócz możliwości przejścia ze stanu stałego do stanu ciekłego, jeden z ważne właściwości materiał to jego siła - możliwość ciało stałe odporność na pękanie i nieodwracalne zmiany kształtu. Za główny wskaźnik wytrzymałości uważa się opór wynikający z pęknięcia przedmiotu obrabianego wstępnie wyżarzonego. Pojęcie siły nie dotyczy rtęci, ponieważ jest ona w stanie ciekłym. Oznaczenie wytrzymałości przyjmuje się w MPa - Mega Pascalach.

Istnieć następujące grupy wytrzymałość metalu:

• Kruchy. Ich rezystancja nie przekracza 50MPa. Należą do nich cyna, ołów, miękkie metale alkaliczne
• Trwały, 50-500 MPa. Miedź, aluminium, żelazo, tytan. Materiały z tej grupy są podstawą wielu stopów konstrukcyjnych.
• Wysoka wytrzymałość, ponad 500 MPa. Na przykład molibden i.

Tabela wytrzymałości metalu

Najczęstsze stopy w życiu codziennym

Jak widać z tabeli, temperatury topnienia pierwiastków różnią się znacznie nawet w przypadku materiałów często spotykanych w życiu codziennym.

Więc, minimalna temperatura Rtęć ma temperaturę topnienia -38,9 °C, więc w temperaturze pokojowej jest już w stanie ciekłym. To wyjaśnia fakt, że termometry domowe mają niższy wskaźnik -39 stopni Celsjusza: poniżej tego wskaźnika rtęć przechodzi w stan stały.

Luty najczęściej używane w użytek krajowy mają w swoim składzie znaczny procent zawartości cyny, która ma temperaturę topnienia 231,9°C, dlatego większość lut topi się w temperaturze roboczej lutownicy 250-400°C.

Ponadto istnieją luty niskotopliwe z dolną granicą topnienia, do 30°C i są stosowane, gdy przegrzanie lutowanych materiałów jest niebezpieczne. Do tych celów służą luty z bizmutem, a topnienie tych materiałów mieści się w zakresie 29,7 - 120 ° C.

Topienie materiałów wysokowęglowych, w zależności od składników stopowych, mieści się w zakresie od 1100 do 1500 °C.

Temperatury topnienia metali i ich stopów mieszczą się w bardzo szerokim zakresie temperatur, od bardzo niskie temperatury(rtęć) do granicy kilku tysięcy stopni. Znajomość tych wskaźników, jak również innych właściwości fizycznych, jest bardzo ważna dla osób pracujących w branży metalurgicznej. Na przykład wiedza, w jakiej temperaturze topi się złoto i inne metale, przyda się jubilerom, odlewnikom i hutnikom.

Każdy metal i stop ma swój własny unikalny zestaw fizycznych i właściwości chemiczne, z których nie tylko temperatura topnienia. Sam proces oznacza przejście ciała z jednego stanu skupienia do drugiego, w tym przypadku ze stanu krystalicznego stałego do stanu ciekłego. Aby stopić metal, konieczne jest doprowadzenie do niego ciepła, aż do osiągnięcia temperatury topnienia. Dzięki niemu może nadal pozostawać w stanie stałym, ale przy dalszej ekspozycji i wzroście ciepła metal zaczyna się topić. Jeśli temperatura zostanie obniżona, to znaczy część ciepła zostanie usunięta, element stwardnieje.

Najwyższa temperatura topnienia wśród metali należy do wolframu: jest 3422C o, najniższa jest dla rtęci: pierwiastek topi się już w - 39C o. Z reguły nie jest możliwe określenie dokładnej wartości dla stopów: może się ona znacznie różnić w zależności od procentowej zawartości składników. Zazwyczaj zapisuje się je jako rozpiętość liczb.

Jak to się dzieje?

Topienie wszystkich metali odbywa się w przybliżeniu w ten sam sposób - za pomocą ogrzewania zewnętrznego lub wewnętrznego. Pierwszy odbywa się w piecu termicznym, drugi podczas przejścia stosuje się ogrzewanie oporowe prąd elektryczny lub nagrzewanie indukcyjne w polu elektromagnetycznym o wysokiej częstotliwości. Obie opcje wpływają na metal w podobny sposób.

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie również amplituda drgań termicznych cząsteczek, pojawiają się strukturalne defekty sieci, które wyrażają się we wzroście dyslokacji, przeskokach atomów i innych zakłóceniach. Towarzyszy temu zerwanie wiązań międzyatomowych i wymaga pewnej ilości energii. Jednocześnie na powierzchni ciała tworzy się quasi-ciekła warstwa. Okres niszczenia sieci i kumulacji defektów nazywa się topnieniem.

W zależności od temperatury topnienia metale dzielą się na:

W zależności od temperatury topnienia wybrać i topiącą aparaturę. Im wyższy wynik, tym silniejszy powinien być. Temperaturę potrzebnego elementu możesz sprawdzić w tabeli.

Kolejną ważną wartością jest temperatura wrzenia. Jest to wartość od której zaczyna się proces wrzenia cieczy, odpowiada ona temperaturze para nasycona, który tworzy się nad płaską powierzchnią wrzącej cieczy. Zwykle jest prawie dwa razy wyższy niż temperatura topnienia.

Obie wartości są zwykle podawane w normalne ciśnienie. Między sobą wprost proporcjonalne.

1. Ciśnienie wzrasta - ilość topienia wzrośnie.
2. Ciśnienie spada - zmniejsza się ilość topienia.

Tabela metali i stopów topliwych (do 600C o)

Tablica średniotopliwych metali i stopów (od 600ºC do 1600ºC)