Em que grau o metal derrete? Ponto de fusão de aço inoxidável e ferro fundido

Os pontos de fusão de quase todos os metais atualmente amplamente utilizados são dados na Tabela. 1. Também são mencionados alguns metais raros, cuja produção e uso estão em constante crescimento. Como você pode ver, o ponto de fusão dos metais cobre uma faixa muito grande de -39 (mercúrio) a 3400 °C (tungstênio).
Metais com ponto de fusão abaixo de 500-600 ° C são chamados de fusíveis. Metais de baixo ponto de fusão incluem zinco e todos os outros metais localizados na Tabela. 1 acima dele. Também é costume distinguir os chamados metais refratários, referindo-se a eles aqueles que possuem um ponto de fusão mais alto que o ferro (1539 ° C), ou seja, conforme a Tabela. 1 é titânio e ainda tungstênio.

A partir dos dados da Tabela. 1 mostra que as densidades dos metais à temperatura ambiente também têm uma faixa muito ampla. O metal mais leve é ​​o lítio, que é cerca de 2 vezes mais leve que a água. Na tecnologia, costuma-se destacar um grupo de metais leves que servem de base para materiais metálicos em aviação e ciência de foguetes. Os metais leves incluem aqueles cuja densidade não excede 5 g/cm3. Este grupo inclui titânio, alumínio, magnésio, berílio, lítio.
Junto com a densidade, denotada pela letra d, o valor inverso é usado para descrever as propriedades dos metais - o volume específico v = 1d (cm3 g).
Com o aumento da temperatura, a densidade de todos os metais no estado sólido diminui e o volume específico aumenta de acordo. Um aumento no volume específico de um metal sólido que não sofre transformações polimórficas por aquecimento por Δt pode ser descrito com bastante precisão dependência linear vtvt=vtv20°С (1+βtv Δt), onde βtv é o coeficiente de temperatura de expansão do volume. Como é conhecido da física, βtv=3α, onde α é o coeficiente de temperatura de expansão linear em uma determinada faixa de temperatura. Para a maioria dos metais, o aquecimento da temperatura ambiente até a temperatura de fusão causa um aumento no volume de 4-5%, de modo que dtvtmelt = 0,95/0,96dtv20°C.
A transição de um metal para um estado líquido é acompanhada na maioria dos casos por um aumento no volume e uma diminuição correspondente na densidade. Na tabela. 1 isso é expresso através da mudança nos volumes específicos Δv = 100 (vl - vtv)/vl, onde vl e vtv são os volumes específicos de metal líquido e sólido na temperatura de fusão. Pode-se mostrar que Δv \u003d 100 (vl - vtv) / vl \u003d Δd \u003d 100 (dtv - dl) / dtv. A diminuição da densidade durante a fusão é expressa como uma pequena porcentagem. Existem vários metais e não metais que exibem uma mudança inversa na densidade e no volume específico após a fusão. Gálio, bismuto, antimônio, germânio, silício diminuem de volume durante a fusão e, portanto, seu Δv tem um valor negativo. Para comparação, pode-se notar que para Veda Δv = -11%.
Uma ligeira mudança no volume dos metais durante a fusão indica que as distâncias entre os átomos em um metal líquido diferem pouco das distâncias interatômicas na rede cristalina. O número de vizinhos mais próximos para cada átomo (o chamado número de coordenação) em um líquido é geralmente um pouco menor do que em uma rede cristalina. Para metais com estruturas compactas, o número de coordenação durante a fusão diminui de 12 para 10-11, para metais com o. c. Na estrutura, esse número muda de 8 para 6. Em um metal líquido próximo ao ponto de fusão, a ordem de curto alcance é preservada, na qual o arranjo dos átomos vizinhos a uma distância de até cerca de três diâmetros atômicos permanece semelhante ao que era. na rede cristalina, que, como se sabe, também está longe. Durante a fusão, os metais não observam uma mudança fundamental em várias propriedades: condutividade térmica, capacidade de calor; a condutividade elétrica permanece da mesma ordem que em um metal sólido próximo ao ponto de fusão.
Um aumento na temperatura de um metal líquido causa não apenas uma mudança gradual em todas as suas propriedades, mas também leva a rearranjos estruturais graduais, que se expressam na diminuição do número de coordenação e no desaparecimento gradual da ordem de curto alcance no arranjo. de átomos. O aumento do volume específico do metal líquido causado pelo aumento da temperatura pode ser descrito aproximadamente pela dependência linear vzht = vzhtpl (1 + βl Δt). O coeficiente de temperatura de expansão volumétrica do metal líquido é significativamente maior do que o do metal sólido. Normalmente βl = 1,5/3βtv.
As ligas, tanto no estado sólido quanto no estado líquido, geralmente não são soluções perfeitas, e a fusão de dois ou mais metais está sempre associada a uma mudança de volume. Como regra, há uma diminuição no volume da liga em relação ao volume total dos componentes puros, levando em consideração seu conteúdo na liga. No entanto, para cálculos técnicos, a diminuição do volume durante a fusão pode ser desprezada. Nesse caso, o volume específico da liga pode ser determinado pela regra da aditividade, ou seja, a partir dos valores dos volumes específicos dos componentes puros, levando em consideração seu teor na liga. Assim, o volume específico da liga, que consiste nos componentes A, B, C, ..., X, contidos em porcentagem em peso na quantidade de a, b, c, ..., x é

onde vA, vB, vC, vX são os volumes específicos de componentes puros na temperatura para a qual o volume específico da liga é calculado.
A mudança no volume do metal líquido antes e durante a cristalização predetermina a propriedade mais importante do fundido - a retração volumétrica, que se manifesta, como será mostrado mais adiante, na forma de cavidades de retração e porosidade (frouxidão) no corpo do fundido.
O valor máximo possível da contração volumétrica relativa do fundido é igual a Δvmax = 100 (vzht - vtvtpl)/vzht, onde vzht é o volume específico de metal líquido na temperatura de vazamento t; ttvtpl - volume específico de metal sólido no ponto de fusão.
A contração volumétrica detectada experimentalmente em peças fundidas é geralmente menor que Δvmax. Isso é explicado pelo fato de que quando o molde é preenchido, o fundido esfria e a cristalização pode até começar, de modo que o estado inicial do fundido no molde não é caracterizado pelo volume específico vtl. O resfriamento do fundido endurecido à temperatura ambiente não afeta a contração volumétrica relativa.
Nas peças fundidas de metais e ligas com valores negativos de Δv (ver Tabela 1), não é o encolhimento que se encontra, mas o chamado crescimento - extrusão do fundido na superfície das peças fundidas.

O método de sua fusão, material de revestimento depende da temperatura de fusão do metal forno de fusão ou cadinho e forma linear. A temperatura de fusão e densidade de todos os metais básicos são dadas na Tabela 1.1.

A densidade dos metais é medida pela massa por unidade de volume. O valor de densidade é usado no cálculo da massa do fundido ou fundidos de acordo com dimensões geométricas ou seus volumes se a massa for conhecida.

Dos metais listados na Tabela 1, o mais leve é ​​o lítio e os mais pesados ​​são o tungstênio e o ouro, com densidade superior a 19 g/cm 3 . O ponto de fusão dos metais cobre a faixa de -39°C para mercúrio a 3400°C para tungstênio.

Metais com ponto de fusão abaixo de 500 - 600 ° C são chamados de fusíveis. Na tabela. 1.1 fusíveis incluem zinco e todos os outros metais localizados antes dele. Também é costume distinguir os metais refratários, referindo-se a eles aqueles que possuem um ponto de fusão mais alto que o ferro, ou seja, de acordo com a Tabela 1, este é o titânio e ainda o tungstênio.

Da mesa. 1.1 pode-se observar que, em termos de densidade, os metais à temperatura ambiente também apresentam uma faixa de valores muito ampla.

Ponto de fusão e densidade dos metais

Em tecnologia, costuma-se destacar um grupo de metais leves que servem de base para materiais metálicos estruturais. Os metais leves incluem aqueles cuja densidade não excede 5 g / cm 3, ou seja, esse grupo inclui titânio, alumínio, magnésio, berílio, lítio.

O ponto de fusão da liga é calculado levando em consideração a concentração, massa atômica e abaixando o ponto de fusão do metal base:

Por exemplo, o ponto de fusão ferro puro diminui na presença de 1% em massa: Cu- 1 sobre C; V, Mo, M n-2°C; Al- 3,5°C; Si- 12°C; Ti- 18ºC; P- 28ºC; S- 30°C; C- 73ºC; B- 90ºC.

Com um aumento na temperatura da temperatura ambiente para a temperatura de fusão, a densidade da maioria dos metais diminui em 3-5% devido ao fato de que a transição do metal para o estado líquido é acompanhada por um aumento de volume. As exceções são hélio, bismuto, antimônio, germânio e silício, que diminuem de volume durante a fusão com um aumento correspondente na densidade do fundido.

A mudança na densidade da liga durante a transição do estado líquido para o estado sólido predetermina a contração volumétrica. Em peças fundidas de ligas com valor positivo D Com retração se manifesta na forma de cavidades de retração e pequenos poros, e com valor negativo D Com- na forma de protuberâncias (fusão extrudada na superfície da peça fundida).

Junto com a densidade ( Com), para descrever as propriedades dos metais, o recíproco é usado - o volume específico V = 1/scm 3 /G. Com o aumento da temperatura, a densidade de todos os metais no estado sólido diminui e o volume específico aumenta de acordo. Um aumento no volume específico de um metal sólido que não sofre transformações polimórficas quando aquecido a Dt pode ser descrito com bastante precisão por uma relação linear. , onde é o coeficiente de temperatura de expansão volumétrica. Como é conhecido da física, o coeficiente de temperatura de expansão linear em uma determinada faixa de temperatura.

A transição do metal para o estado líquido é acompanhada principalmente por um aumento de volume e uma diminuição correspondente na densidade. Na tabela. 1 isso é expresso através da mudança em volumes específicos, volumes específicos de metal líquido e sólido na temperatura de fusão. Pode ser mostrado que

Uma ligeira mudança no volume dos metais durante a fusão indica que a distância entre os átomos em um metal líquido difere pouco das distâncias interatômicas na rede cristalina.

Um aumento na temperatura de um metal líquido causa uma mudança gradual em suas propriedades e leva a rearranjos estruturais graduais, que se expressam na diminuição do número de coordenação e no desaparecimento gradual da ordem de curto alcance no arranjo dos átomos. O aumento do volume específico do fundido causado pelo aumento da temperatura pode ser descrito aproximadamente por uma relação linear. O coeficiente de temperatura de expansão volumétrica do metal líquido é significativamente maior do que o mesmo coeficiente do metal sólido. Usualmente.

As ligas, tanto no estado sólido quanto no estado líquido, geralmente não são soluções perfeitas, e a fusão de dois ou mais metais está sempre associada a uma mudança de volume. Como regra, há uma diminuição no volume da liga em comparação com o volume total dos componentes puros, levando em consideração seu conteúdo na liga. No entanto, para cálculos técnicos, a diminuição do volume durante a fusão pode ser desprezada. Nesse caso, o volume específico da liga pode ser determinado pela regra da aditividade, ou seja, pelos valores dos volumes específicos dos componentes puros, levando em consideração seu conteúdo na liga. Assim, o volume específico da liga, que consiste em componentes contidos em porcentagem em peso em uma quantidade, é respectivamente igual a

Aqui estão os volumes específicos de componentes puros na mesma temperatura para a qual o volume específico da liga é calculado. É importante ter em mente que a regra de aditividade indicada, conforme escrita acima, é válida justamente para o volume específico da liga. Se substituirmos volumes específicos por densidades, obtém-se uma expressão muito mais complexa, portanto, é mais conveniente usar volumes específicos.

NO pesquisa científica uma quantidade frequentemente usada é chamada de volume atômico ou volume grama-átomo de um metal ou liga. Este valor é encontrado dividindo a massa atômica pela densidade. Para metais, o volume atômico tem limites de 5 - 20 cm 3, mais frequentemente 8 - 12 cm 3.

A densidade depende da natureza da substância (liga), do complexo de propriedades individuais dos elementos que compõem sua composição e do tipo de interação. A mesma substância (metal) pode ter uma densidade diferente dependendo da estrutura cristalina, do tipo de rede cristalina. Por exemplo, Fe b= 768 e Fe G = 7,76; A PARTIR DE esmola = 3,51, A PARTIR DE gráfico = 2,23; b quartzo = 2,65, dentro quartzo= 2,51, etc.

É importante levar em conta a diferença entre os conceitos de "densidade" e " Gravidade Específica» materiais.

A densidade é a razão entre a massa de uma substância e o volume que ela ocupa:

Onde m- massa, g (kg); V- volume, cm3 (m3); Com- densidade, g/cm3 (kg/m3).

A gravidade específica é definida como a razão entre o peso de uma substância e o volume que ela ocupa:

Onde P- peso, g (kg); G- gravidade específica, cm 3 (m 3).

O peso é encontrado em relação a:

Onde g- aceleração queda livre; k- coeficiente de proporcionalidade, em função da escolha das unidades de medida incluídas na fórmula das quantidades.

E portanto

No mesmo sistema de unidades, densidade e gravidade específica não coincidem numericamente. Por exemplo, para água destilada em vários sistemas unidades c e g têm Significados diferentes(Tabela 1.2).

Coincidência de valores numéricos de densidade e gravidade específica retirados de sistemas diferentes unidades de medida às vezes é a razão para substituir um valor por outro.

Massa corporal- um valor constante e é uma medida das propriedades gravitacionais e inerciais da matéria, e O peso- valor variável, dependendo da aceleração de queda livre no ponto de observação. Portanto, a gravidade específica não pode ser um valor de referência.

A razão entre as massas de dois corpos no mesmo ponto de observação é relação pesos desses corpos:

Portanto, ao pesar, a massa do corpo é encontrada em comparação com a massa dos pesos. Como resultado da pesagem, a massa do material é determinada.

Na prática, a densidade é determinada para detectar alterações no metal final em relação à matéria-prima original. Portanto, não é o fato de estabelecer a densidade que importa, mas o fato da diferença de densidades, ou, ainda mais significativo, a razão de densidades:

Os métodos para determinar a densidade são classificados de acordo com as características do grupo: peso, volume, imersão.

Para métodos de peso incluem pesagem hidrostática, método micrométrico, método areométrico de volume e massa constantes, etc. Estes são os métodos mais comuns e precisos.

Para volumétrico - determinação do volume da amostra por medições lineares (amostra da forma correta) usando medidores de volume de gás ou líquido. Os métodos volumétricos (por dimensões geométricas) permitem fazer cálculos precisos para grandes volumes amostras.

Equilibrar a densidade em um líquido é chamado de método de imersão. Também inclui o método do tubo termogradiente, etc.

Além dos listados, métodos mecânicos, de radiação, refratométricos, analíticos e outros para determinação de densidade por indicadores indiretos também são usados.

Para que o metal fundido preencha bem o molde, tensão superficial e sua viscosidade não deve interferir com o movimento de translação do fundido até que esteja completamente preenchido. A viscosidade, a tensão superficial e a difusão afetam os processos de refino, liga, modificação de ligas.

O ponto de fusão de um metal é a temperatura mínima na qual ele passa de sólido para líquido. Durante a fusão, seu volume praticamente não muda. Os metais são classificados pelo ponto de fusão, dependendo do grau de aquecimento.

metais fusíveis

Os metais fusíveis têm um ponto de fusão abaixo de 600°C. Estes são zinco, estanho, bismuto. Esses metais podem ser derretidos aquecendo-os no fogão ou usando um ferro de solda. Os metais fusíveis são usados ​​em eletrônica e engenharia para conectar elementos metálicos e fios para movimento. corrente elétrica. A temperatura é de 232 graus e zinco - 419.

Metais de fusão média

Metais de fusão média começam a mudar do estado sólido para o líquido em temperaturas de 600°C a 1600°C. São utilizados para a fabricação de lajes, vergalhões, blocos e outros estruturas metálicas adequado para construção. Este grupo de metais inclui ferro, cobre, alumínio, eles também fazem parte de muitas ligas. O cobre é adicionado às ligas metais preciosos como ouro, prata, platina. O ouro 750 contém 25% de metais de liga, incluindo cobre, o que lhe confere um tom avermelhado. O ponto de fusão deste material é 1084°C. E o alumínio começa a derreter a uma temperatura relativamente baixa de 660 graus Celsius. É um metal leve, dúctil e barato que não oxida nem enferruja, por isso é muito utilizado na fabricação de utensílios. A temperatura é de 1539 graus. É um dos metais mais populares e acessíveis, seu uso é difundido nas indústrias de construção e automotiva. Mas, tendo em vista que o ferro está sujeito à corrosão, ele deve ser processado e coberto com uma camada protetora de tinta, óleo de secagem ou umidade não deve entrar.

Metal de refração

A temperatura dos metais refratários está acima de 1600°C. Estes são tungstênio, titânio, platina, cromo e outros. Eles são usados ​​como fontes de luz, peças de máquinas, lubrificantes e na indústria nuclear. Eles são usados ​​para fazer fios, fios de alta tensão e são usados ​​para derreter outros metais com ponto de fusão mais baixo. A platina começa a mudar de sólido para líquido a 1769 graus e o tungstênio a 3420°C.

O mercúrio é o único metal que se encontra em estado líquido a condições normais, ou seja, normais pressão atmosférica e temperatura média meio Ambiente. O ponto de fusão do mercúrio é menos 39°C. Este metal e seus fumos são venenosos, por isso só é usado em recipientes fechados ou em laboratórios. Um uso comum de mercúrio é como um termômetro para medir a temperatura corporal.

Após a cristalização, é necessário certificar-se de que a substância é suficientemente pura. O método mais simples e eficaz para identificar e determinar a medida de pureza de uma substância é determinar seu ponto de fusão ( T pl). O ponto de fusão é a faixa de temperatura na qual um sólido se torna líquido. Todos os compostos químicos puros têm uma estreita faixa de temperatura de transição de sólido para líquido. Este intervalo de temperatura para substâncias puras é de no máximo 1-2 o C. O uso do ponto de fusão como medida da pureza de uma substância é baseado no fato de que a presença de impurezas (1) diminui o ponto de fusão e ( 2) expande a faixa de temperatura de fusão. Por exemplo, uma amostra pura de ácido benzóico derrete na faixa de 120-122°C, enquanto uma amostra levemente contaminada derrete a 114-119°C.

O uso do ponto de fusão para identificação está obviamente sujeito a grande incerteza, uma vez que existem vários milhões de compostos orgânicos, e inevitavelmente os pontos de fusão de muitos deles coincidem. No entanto, em primeiro lugar, T o mp da substância obtida na síntese quase sempre difere do T pl compostos de partida. Em segundo lugar, a técnica de "determinar o ponto de fusão de uma amostra mista" pode ser usada. Se um T mp de uma mistura de quantidades iguais da substância de teste e uma amostra conhecida não difere de T pl desta última, então ambas as amostras são a mesma substância.

MÉTODO PARA DETERMINAR A TEMPERATURA DE FUSÃO. Triture completamente a substância de teste em um pó fino. O capilar é preenchido com a substância (por 3 a 5 mm de altura; o capilar deve ter paredes finas, selado em um lado, com diâmetro interno de 0,8 a 1 mm e altura de 3 a 4 cm). Para fazer isso, pressione cuidadosamente o capilar com sua extremidade aberta no pó da substância e bata periodicamente sua extremidade selada contra a superfície da mesa 5 a 10 vezes. Para deslocar completamente o pó para a extremidade selada do capilar, ele é jogado em um tubo de vidro vertical (30–40 cm de comprimento e 0,5–1 cm de diâmetro) em uma superfície dura. Insira o capilar em um cassete de metal fixado no nariz do termômetro (Fig. 3.5), e coloque o termômetro com o cassete no dispositivo para determinar o ponto de fusão.

No dispositivo, um termômetro com capilares é aquecido por uma bobina elétrica, cuja tensão é fornecida por meio de um transformador, e a taxa de aquecimento é determinada pela tensão aplicada. Primeiro, o dispositivo é aquecido a uma taxa de 4 a 6 ° C por minuto e 10 ° C antes do esperado T pl é aquecido a uma taxa de 1-2 o C por minuto. A temperatura de fusão é tomada como o intervalo desde o amolecimento dos cristais (molhamento da substância) até a sua fusão completa.

Os dados obtidos são registrados no diário do laboratório.

1. Destilação

A destilação é um método importante e amplamente utilizado para purificação de líquidos orgânicos e separação de misturas líquidas. Este método consiste em ferver e evaporar o líquido e depois condensar os vapores em um destilado. A separação de dois líquidos com uma diferença de ponto de ebulição de 50 a 70 ° C ou mais pode ser realizada por destilação simples. Se a diferença for menor, a destilação fracionada deve ser utilizada em um aparelho mais sofisticado. Alguns líquidos com altos pontos de ebulição se decompõem durante o processo de destilação. No entanto, quando a pressão é reduzida, o ponto de ebulição diminui, o que torna possível destilar líquidos de alto ponto de ebulição sem decomposição no vácuo.

O aço é uma liga de ferro à qual se adiciona carbono. Seu principal uso na construção é a resistência, pois esta substância muito tempo mantém o volume e a forma. A questão é que as partículas do corpo estão em uma posição de equilíbrio. Neste caso, a força de atração e a força de repulsão entre as partículas são iguais. As partículas estão em uma ordem claramente definida.

Existem quatro tipos deste material: aço comum, liga, baixa liga e alta liga. Eles diferem na quantidade de aditivos em sua composição. O habitual contém uma pequena quantidade e depois aumenta. Use os seguintes aditivos:

• Manganês.
• Níquel.
• Cromo.
• Vanádio.
• Molibdênio.

Pontos de fusão do aço

Sob certas condições corpos sólidos derreter, ou seja, entrar em um estado líquido. Cada substância faz isso a uma certa temperatura.

• A fusão é o processo de mudança de uma substância do estado sólido para o estado líquido.
• O ponto de fusão é a temperatura na qual uma substância cristalina sólida funde e se torna líquida. Denotado t.

Os físicos usam uma tabela específica de fusão e cristalização, que é fornecida abaixo:

Com base na tabela, podemos dizer com segurança que o ponto de fusão do aço é de 1400 ° C.

O aço inoxidável é uma das muitas ligas de ferro encontradas no aço. Contém 15 a 30% de cromo, o que o torna resistente à ferrugem, criando uma camada protetora de óxido na superfície e carbono. As marcas mais populares deste aço são estrangeiras. Estas são as séries 300 e 400. Eles se distinguem por sua força, resistência a condições adversas e plasticidade. A 200ª série é de qualidade inferior, mas mais barata. Este é um fator vantajoso para o fabricante. Pela primeira vez, sua composição foi notada em 1913 por Harry Brearley, que realizou muitos experimentos diferentes em aço.

Atualmente, o aço inoxidável é dividido em três grupos:

• resistente ao calor- em altas temperaturas tem um alto força mecânica e sustentabilidade. As peças que são feitas a partir dele são usadas nas áreas de produtos farmacêuticos, indústria de foguetes e indústria têxtil.
• Resistente à ferrugem- tem uma alta resistência aos processos de ferrugem. É usado em dispositivos domésticos e médicos, bem como na engenharia mecânica para a fabricação de peças.
• resistente ao calor- é resistente à corrosão em altas temperaturas, adequado para uso em plantas químicas.

O ponto de fusão do aço inoxidável varia dependendo do seu grau e da quantidade de ligas de aproximadamente 1300°C a 1400°C.

O ferro fundido é uma liga de carbono e ferro, contém impurezas de manganês, silício, enxofre e fósforo. Suporta baixas tensões e cargas. Uma de suas muitas vantagens é o baixo custo para os consumidores. O ferro fundido é de quatro tipos:

Os pontos de fusão do aço e do ferro fundido são diferentes, conforme indicado na tabela acima. O aço tem maior resistência e resistência a altas temperaturas do que o ferro fundido, as temperaturas diferem em até 200 graus. No ferro fundido, esse número varia de aproximadamente 1100 a 1200 graus, dependendo das impurezas que ele contém.