При каква степен металът се топи? Точка на топене на неръждаема стомана и чугун

Точките на топене на почти всички широко използвани в момента метали са дадени в табл. 1. Споменават се и някои редки метали, чието производство и използване непрекъснато нараства. Както можете да видите, точката на топене на металите обхваща много голям диапазон от -39 (живак) до 3400 °C (волфрам).
Металите с точка на топене под 500-600 ° C се наричат ​​топими. Нискотопимите метали включват цинк и всички други метали, намиращи се в табл. 1 над него. Също така е обичайно да се разграничават така наречените огнеупорни метали, като към тях се отнасят тези, които имат по-висока точка на топене от желязото (1539 ° C), т.е. според табл. 1 е титан и по-нататък до волфрам.

От данните в табл. 1 показва, че плътностите на металите при стайна температура също имат много широк диапазон. Най-лекият метал е литият, който е около 2 пъти по-лек от водата. В технологията е обичайно да се отделят група леки метали, които служат като основа за структурни метални материалив авиацията и ракетостроенето. Към леките метали се отнасят тези, чиято плътност не надвишава 5 g/cm3. Тази група включва титан, алуминий, магнезий, берилий, литий.
Заедно с плътността, обозначена с буквата d, за описание на свойствата на металите се използва обратната стойност - специфичният обем v = 1d (cm3 g).
С повишаване на температурата плътността на всички метали в твърдо състояние намалява и съответно се увеличава специфичният обем. Доста точно може да се опише увеличаването на специфичния обем на твърд метал, който не претърпява полиморфни трансформации при нагряване с Δt линейна зависимост vtvt=vtv20°С (1+βtv Δt), където βtv е температурният коефициент на обемно разширение. Както е известно от физиката, βtv=3α, където α е температурният коефициент на линейно разширение в даден температурен диапазон. За повечето метали нагряването от стайна температура до температурата на топене води до увеличаване на обема с 4-5%, така че dtvtmelt = 0,95/0,96dtv20°C.
Преходът на метала в течно състояние в повечето случаи е придружен от увеличаване на обема и съответно намаляване на плътността. В табл. 1 това се изразява чрез изменението на специфичните обеми Δv = 100 (vl - vtv)/vl, където vl и vtv са специфичните обеми на течен и твърд метал при температура на топене. Може да се покаже, че Δv = 100 (vl - vtv) / vl \u003d Δd = 100 (dtv - dl) / dtv. Намаляването на плътността по време на топенето се изразява като няколко процента. Има няколко метала и неметали, които показват обратна промяна в плътността и специфичния обем при топене. Галий, бисмут, антимон, германий, силиций намаляват обема си по време на топенето и следователно тяхното Δv има отрицателна стойност. За сравнение може да се отбележи, че за Veda Δv = -11%.
Лека промяна в обема на металите по време на топене показва, че разстоянията между атомите в течен метал се различават малко от междуатомните разстояния в кристалната решетка. Броят на най-близките съседи за всеки атом (т.нар. координационно число) в течност обикновено е малко по-малък, отколкото в кристалната решетка. За метали с плътно опаковани структури координационният номер по време на топене намалява от 12 до 10-11, за метали с o. ° С. структура, това число се променя от 8 на 6. В течен метал близо до точката на топене се запазва редът на къси разстояния, при който разположението на съседните атоми на разстояние до около три атомни диаметъра остава подобно на това, което е било в кристалната решетка, която, както е известно, също е далеч. По време на топенето металите не наблюдават фундаментална промяна в редица свойства: топлопроводимост, топлинен капацитет; електрическата проводимост остава от същия порядък, както в твърд метал близо до точката на топене.
Повишаването на температурата на течния метал причинява не само постепенна промяна на всичките му свойства, но и води до постепенни структурни пренареждания, които се изразяват в намаляване на координационното число и постепенно изчезване на близък ред в подредбата на атоми. Увеличаването на специфичния обем на течния метал, причинено от повишаване на температурата, може да се опише приблизително с линейната зависимост vzht = vzhtpl (1 + βl Δt). Температурният коефициент на обемно разширение на течния метал е значително по-голям от този на твърдия метал. Обикновено βl = 1,5/3βtv.
Сплавите, както в твърдо, така и в течно състояние, обикновено не са идеални решения и сливането на два или повече метала винаги е свързано с промяна в обема. Като правило има намаляване на обема на сплавта в сравнение с общия обем на чистите компоненти, като се вземе предвид тяхното съдържание в сплавта. Въпреки това, за технически изчисления, намаляването на обема по време на синтез може да се пренебрегне. В този случай специфичният обем на сплавта може да се определи по правилото за адитивност, тоест от стойностите на специфичните обеми на чистите компоненти, като се вземе предвид тяхното съдържание в сплавта. По този начин специфичният обем на сплавта, който се състои от компоненти A, B, C, ..., X, съдържащ се в тегловни проценти в количество a, b, c, ..., x е

където vA, vB, vC, vX са специфичните обеми на чистите компоненти при температурата, за която се изчислява специфичният обем на сплавта.
Промяната в обема на течния метал преди и по време на кристализацията предопределя най-важното свойство на отливката - обемно свиване, което се проявява, както ще бъде показано по-нататък, под формата на свиващи се кухини и порьозност (хлабавост) в тялото на отливката.
Максимално възможната стойност на относителното обемно свиване на отливката е равна на Δvmax = 100 (v†t - vТвtmelt)/v†t, където v†t е специфичният обем на течния метал при температура на изливане t; ttvtpl - специфичен обем на твърд метал при точка на топене.
Експериментално установеното обемно свиване в отливките обикновено е по-малко от Δvmax. Това се обяснява с факта, че при запълване на матрицата стопилката се охлажда и дори може да започне кристализация, така че първоначалното състояние на стопилката във формата не се характеризира със специфичния обем vtl. Охлаждането на втвърдената отливка до стайна температура не влияе на относителното обемно свиване.
При отливки от метали и сплави с отрицателни стойности на Δv (виж Таблица 1) се открива не свиване, а така наречения растеж - екструдиране на стопилката върху повърхността на отливките.

Методът на неговото топене, облицовъчният материал зависи от температурата на топене на метала топилна пещили тигел и линейна форма. Температурата на топене и плътността на всички основни метали са дадени в таблица 1.1.

Плътността на металите се измерва с маса на единица обем. Стойността на плътността се използва при изчисляване на масата на стопилката или отливките според геометрични размериили техните обеми, ако масата е известна.

От изброените в Таблица 1 метали най-лекият е литият, а най-тежките са волфрамът и златото, с плътност над 19 g/cm 3 . Точката на топене на металите обхваща диапазона от - 39 ° C за живак до 3400 ° C за волфрам.

Металите с точка на топене под 500 - 600 ° C се наричат ​​топими. В табл. 1.1 топими включват цинк и всички други метали, разположени преди него. Също така е обичайно да се разграничават огнеупорни метали, като към тях се отнасят тези, които имат по-висока точка на топене от желязото, тоест според таблица 1 това е титан и по-нататък волфрам.

От таблицата. 1.1 може да се види, че по отношение на плътността металите при стайна температура също имат много широк диапазон от стойности.

Точка на топене и плътност на металите

В технологията е обичайно да се отделят група леки метали, които служат като основа за структурни метални материали. Леките метали включват тези, чиято плътност не надвишава 5 g / cm 3, тоест тази група включва титан, алуминий, магнезий, берилий, литий.

Точката на топене на сплавта се изчислява, като се вземе предвид концентрацията, атомна масаи понижаване на точката на топене на основния метал:

Например, точката на топене чисто желязонамалява в присъствието на 1 мас.%: Cu- 1 около С; В, Мо, М n-2°C; Ал- 3,5°С; Si- 12°С; ти- 18°C; П- 28 o С; С- 30°C; ° С- 73°С; Б- 90 o С.

С повишаване на температурата от стайна температура до температурата на топене, плътността на повечето метали намалява с 3-5% поради факта, че преходът на метала в течно състояние е придружен от увеличаване на обема. Изключение правят хелий, бисмут, антимон, германий и силиций, които намаляват обема си при топенето със съответно увеличаване на плътността на стопилката.

Промяната в плътността на сплавта при прехода от течно към твърдо състояние предопределя обемното свиване. В отливки от сплави с положителна стойност д отсвиването се проявява под формата на свиващи се кухини и малки пори, и с отрицателна стойност д от- под формата на израстъци (стопка, екструдирана върху повърхността на отливката).

Заедно с плътността ( от), за описание на свойствата на металите се използва реципрочният - специфичният обем V = 1/s cm 3 /Г. С повишаване на температурата плътността на всички метали в твърдо състояние намалява и съответно се увеличава специфичният обем. Увеличаване на специфичния обем на твърд метал, който не претърпява полиморфни трансформации при нагряване до Дтможе да се опише доста точно чрез линейна връзка. , където е температурният коефициент на обемно разширение. Както е известно от физиката, температурният коефициент на линейно разширение в даден температурен диапазон.

Преходът на метала в течно състояние се придружава главно от увеличаване на обема и съответно намаляване на плътността. В табл. 1 това се изразява чрез промяната в специфичните обеми, специфичните обеми на течен и твърд метал при температурата на топене. Може да се покаже, че

Лека промяна в обема на металите по време на топене показва, че разстоянието между атомите в течен метал се различава малко от междуатомните разстояния в кристалната решетка.

Повишаването на температурата на течния метал предизвиква постепенна промяна в неговите свойства и води до постепенни структурни пренареждания, които се изразяват в намаляване на координационното число и постепенно изчезване на ближния ред в подреждането на атомите. Увеличаването на специфичния обем на стопилката, причинено от повишаването на температурата, може да се опише приблизително чрез линейна зависимост. Температурният коефициент на обемно разширение на течния метал е значително по-голям от същия коефициент на твърд метал. обикновено.

Сплавите, както в твърдо, така и в течно състояние, обикновено не са идеални решения и сливането на два или повече метала винаги е свързано с промяна в обема. Като правило има намаляване на обема на сплавта в сравнение с общия обем на чистите компоненти, като се вземе предвид тяхното съдържание в сплавта. Въпреки това, за технически изчисления, намаляването на обема по време на синтез може да се пренебрегне. В този случай специфичният обем на сплавта може да се определи от правилото за адитивност, тоест от стойностите на специфичните обеми на чистите компоненти, като се вземе предвид тяхното съдържание в сплавта. По този начин специфичният обем на сплавта, който се състои от компоненти, съдържащи се в тегловни проценти в количество, е съответно равен на

Тук са специфичните обеми на чистите компоненти при същата температура, за която се изчислява специфичният обем на сплавта. Важно е да се има предвид, че горното правило за адитивност, както е написано по-горе, е валидно за специфичния обем на сплавта. Ако заменим определени обеми с плътности, тогава се получава много по-сложен израз, поради което е по-целесъобразно да се използват специфични обеми.

IN научно изследванечесто използвано количество се нарича атомен обем или обем на грам-атома на метал или сплав. Тази стойност се намира чрез разделяне на атомната маса на плътността. За металите атомният обем има граници от 5 - 20 cm 3, по-често 8 - 12 cm 3.

Плътността зависи от естеството на веществото (сплавта), от комплекса от индивидуални свойства на елементите, които съставляват неговия състав, и от вида на тяхното взаимодействие. Едно и също вещество (метал) може да има различна плътност в зависимост от кристалната структура, вида на кристалната решетка. Например, Fe б= 768 и Fe г = 7,76; ОТ милостиня = 3,51, ОТ графика = 2,23; б кварц = 2,65, в кварц= 2,51 и т.н.

Важно е да се вземе предвид разликата между понятията "плътност" и " специфично тегло" материал.

Плътността е съотношението на масата на веществото към обема, който заема:

където м- маса, g (kg); V- обем, cm 3 (m 3); от- плътност, g / cm 3 (kg / m 3).

Специфичното тегло се определя като съотношението на теглото на веществото към обема, който заема:

където П- тегло, g (kg); г- специфично тегло, cm 3 (m 3).

Теглото се намира във връзка с:

където ж- ускорение свободно падане; к- коефициент на пропорционалност, в зависимост от избора на мерни единици, включени във формулата на величините.

И следователно

В една и съща система от единици плътността и специфичното тегло не съвпадат числено. Например за дестилирана вода в различни системиединици c и g имат различни значения(Таблица 1.2).

Съвпадение на числените стойности на плътността и специфичното тегло, взети от различни системимерни единици понякога е причина за замяна на една стойност с друга.

Телесна маса- постоянна стойност и е мярка за гравитационните и инерционните свойства на материята, и тегло- променлива стойност, в зависимост от ускорението на свободното падане в точката на наблюдение. Следователно специфичното тегло не може да бъде референтна стойност.

Съотношението на масите на две тела в една и съща точка на наблюдение е отношениетегла на тези тела:

Следователно при претегляне масата на тялото се намира в сравнение с масата на тежестите. В резултат на претеглянето се определя масата на материала.

На практика плътността се определя, за да се открият промени в крайния метал в сравнение с оригиналния суров. Следователно не е важен фактът на установяване на плътността, а фактът на разликата в плътностите или, още по-важно, съотношението на плътностите:

Методите за определяне на плътността се класифицират според характеристиките на групата: тегло, обем, потапяне.

ДА СЕ методи за тегловключват хидростатично претегляне, микрометричен метод, ареометричен метод на постоянен обем и маса и др. Това са най-често срещаните и точни методи.

Към обемно - определяне на обема на пробата чрез линейни измервания (проба с правилна форма) с помощта на измервателни уреди за газ или течност. Обемните методи (по геометрични размери) позволяват да се правят точни изчисления за големи обемипроби.

Балансирането на плътността в течност се нарича метод на потапяне. Включва и метода на термоградиентната тръба и др.

Освен изброените се използват и механични, радиационни, рефрактометрични, аналитични и други методи за определяне на плътността по косвени показатели.

За да може стопеният метал да запълни добре матрицата, повърхностно напрежениеи неговият вискозитет не трябва да пречи на транслационното движение на стопилката, докато не бъде напълно запълнена. Вискозитетът, повърхностното напрежение и дифузията влияят върху процесите на рафиниране, легиране, модифициране на сплави.

Точката на топене на метала е минималната температура, при която той преминава от твърдо в течно. По време на топенето обемът му практически не се променя. Металите се класифицират по точка на топене в зависимост от степента на нагряване.

топими метали

Топимите метали имат точка на топене под 600°C. Това са цинк, калай, бисмут. Такива метали могат да се стопят чрез нагряване на печката или с помощта на поялник. Топимите метали се използват в електрониката и инженерството за свързване на метални елементи и проводници за движение. електрически ток. Температурата е 232 градуса, а цинкът - 419.

Средно топящи се метали

Среднотопимите метали започват да преминават от твърдо в течно състояние при температури от 600°C до 1600°C. Използват се за производство на плочи, арматурни пръти, блокове и други метални конструкцииподходящ за строителство. Тази група метали включва желязо, мед, алуминий, те също са част от много сплави. Медта се добавя към сплавите скъпоценни металикато злато, сребро, платина. 750 злато съдържа 25% легирани метали, включително мед, което му придава червеникав оттенък. Точката на топене на този материал е 1084 °C. И алуминият започва да се топи при относително ниска температура от 660 градуса по Целзий. Това е лек, пластичен и евтин метал, който не се окислява и не ръждясва, така че се използва широко при производството на прибори. Температурата е 1539 градуса. Той е един от най-популярните и достъпни метали, използването му е широко разпространено в строителната и автомобилната индустрия. Но поради факта, че желязото е подложено на корозия, то трябва да бъде допълнително обработено и покрито със защитен слой боя, изсушаващо масло или не трябва да се допуска влага.

Огнеупорни метали

Температурата на огнеупорните метали е над 1600°C. Това са волфрам, титан, платина, хром и други. Използват се като източници на светлина, машинни части, смазочни материали и в ядрената индустрия. От тях се правят проводници, проводници с високо напрежение и се използват за топене на други метали с по-ниска точка на топене. Платината започва да преминава от твърдо в течно при 1769 градуса, а волфрамът при 3420°C.

Живакът е единственият метал, който е в течно състояние при нормални условия, а именно нормално атмосферно наляганеи средна температура заобикаляща среда. Точката на топене на живака е минус 39°C. Този метал и неговите изпарения са отровни, така че се използва само в затворени контейнери или в лаборатории. Обичайната употреба на живака е като термометър за измерване на телесната температура.

След кристализация е необходимо да се уверите, че веществото е достатъчно чисто. Най-простият и ефективен метод за идентифициране и определяне на мярката за чистота на веществото е да се определи неговата точка на топене ( т pl). Точката на топене е температурният диапазон, при който твърдото вещество става течно. Всички чисти химични съединения имат тесен температурен диапазон на преход от твърдо към течно. Този температурен интервал за чистите вещества е максимум 1-2 o C. Използването на точката на топене като мярка за чистотата на веществото се основава на факта, че наличието на примеси (1) понижава точката на топене и ( 2) разширява температурния диапазон на топене. Например, чиста проба от бензоена киселина се топи в диапазона от 120–122°C, докато леко замърсена проба се топи при 114–119°C.

Използването на точката на топене за идентификация очевидно е обект на голяма несигурност, тъй като има няколко милиона органични съединения и неизбежно точките на топене на много от тях съвпадат. Въпреки това, първо, т mp на полученото при синтеза вещество почти винаги се различава от т pl изходни съединения. Второ, може да се използва техниката за "определяне на точката на топене на смесена проба". Ако т mp на смес от равни количества от изпитваното вещество и известна проба не се различава от т pl от последния, то и двете проби са едно и също вещество.

МЕТОД ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ТЕМПЕРАТУРАТА НА ТОПЕНЕ. Изпитваното вещество се стрива добре в фин прах. Капилярът се запълва с веществото (с височина 3–5 mm; капилярът трябва да е тънкостенен, запечатан от едната страна, с вътрешен диаметър 0,8–1 mm и височина 3–4 cm). За да направите това, внимателно натиснете капиляра с отворения си край в праха от веществото и периодично удряйте запечатания му край в повърхността на масата 5-10 пъти. За пълно изместване на праха към запечатания край на капиляра, той се хвърля във вертикална стъклена тръба (30–40 cm дълга и 0,5–1 cm в диаметър) върху твърда повърхност. Поставете капиляра в метална касета, фиксирана на носа на термометъра (фиг. 3.5), и поставете термометъра с касетата в устройството за определяне на точката на топене.

В устройството термометър с капиляри се нагрява от електрическа намотка, напрежението към която се подава през трансформатор, а скоростта на нагряване се определя от приложеното напрежение. Първо, устройството се нагрява със скорост 4–6 ° C в минута и 10 ° C преди очакваното т pl се нагрява със скорост 1–2 o C в минута. Температурата на топене се приема като интервал от омекване на кристалите (намокряне на веществото) до пълното им топене.

Получените данни се записват в лабораторния журнал.

1. Дестилация

Дестилацията е важен и широко използван метод за пречистване на органични течности и разделяне на течни смеси. Този метод се състои в кипене и изпаряване на течността и след това кондензиране на парите в дестилат. Разделянето на две течности с разлика в точката на кипене от 50–70 ° C или повече може да се извърши чрез проста дестилация. Ако разликата е по-малка, фракционната дестилация трябва да се използва на по-сложен апарат. Някои течности с висока точка на кипене се разлагат по време на дестилацията. Въпреки това, когато налягането се намали, точката на кипене намалява, което прави възможно дестилирането на висококипящи течности без разлагане във вакуум.

Стоманата е сплав от желязо, към която е добавен въглерод. Основната му употреба в строителството е силата, тъй като това вещество дълго времезапазва обем и форма. Работата е там, че частиците на тялото са в положение на равновесие. В този случай силата на привличане и силата на отблъскване между частиците са равни. Частиците са в ясно определен ред.

Има четири вида от този материал: обикновена, легирана, нисколегирана, високолегирана стомана. Те се различават по количеството добавки в състава си. Обичайният съдържа малко количество и след това се увеличава. Използвайте следните добавки:

• манган.
• никел.
• хром.
• ванадий.
• Молибден.

Точки на топене на стомана

При определени условия твърди теласе стопяват, тоест преминават в течно състояние. Всяко вещество прави това при определена температура.

• Топенето е процес на преминаване на вещество от твърдо в течно състояние.
• Точката на топене е температурата, при която твърдо кристално вещество се топи в течно състояние. Обозначава t.

Физиците използват специфична таблица за топене и кристализация, която е дадена по-долу:

Въз основа на таблицата можем спокойно да кажем, че точката на топене на стоманата е 1400 ° C.

Неръждаемата стомана е една от многото железни сплави, намиращи се в стоманата. Съдържа 15 до 30% хром, което го прави устойчив на ръжда, създавайки защитен слой от оксид на повърхността и въглерод. Най-популярните марки от тази стомана са чуждестранни. Това са 300-та и 400-та серия. Те се отличават със своята здравина, устойчивост на неблагоприятни условия и пластичност. 200-та серия е с по-ниско качество, но по-евтина. Това е благоприятен фактор за производителя. За първи път съставът му е забелязан през 1913 г. от Хари Бриърли, който провежда много различни експерименти върху стомана.

В момента неръждаемата стомана е разделена на три групи:

• топлоустойчив- при високи температури има висока механична силаи устойчивост. Частите, които се изработват от него, намират приложение в областта на фармацевтиката, ракетната индустрия и текстилната индустрия.
• Устойчив на ръжда- има висока устойчивост на процеси на ръждясване. Използва се в битови и медицински изделия, както и в машиностроенето за производство на части.
• топлоустойчив- е устойчив на корозия при високи температури, подходящ за използване в химически заводи.

Точката на топене на неръждаемата стомана варира в зависимост от нейния клас и количеството сплави от приблизително 1300 °C до 1400 °C.

Чугунът е сплав от въглерод и желязо, съдържа примеси от манган, силиций, сяра и фосфор. Издържа на ниски напрежения и натоварвания. Едно от многото му предимства е ниската цена за потребителите. Чугунът е от четири вида:

Точките на топене на стоманата и чугуна са различни, както е посочено в таблицата по-горе. Стоманата има по-висока якост и устойчивост на високи температури от чугуна, температурите се различават до 200 градуса. При чугуна това число варира от приблизително 1100 до 1200 градуса, в зависимост от примесите, които съдържа.