Metallien fysikaaliset ominaisuudet. Ei-rautametallien sulatusmenetelmät: sulamispiste, tiheys ja ominaistilavuus

Joidenkin metallien tiheys ja sulamispiste.

Metalleille seuraavat ominaisuudet ovat tyypillisimpiä:
*metallinen kiilto
*kovuus,
*muovi,
*muovuttavuus,
*hyvä lämmön ja sähkön johtavuus.

Kaikilla metalleilla on metallinen kidehila:
positiivisesti varautuneet ionit sijaitsevat sen solmuissa ja elektronit liikkuvat vapaasti niiden välillä.
Vapaiden elektronien läsnäolo selittää korkean sähkön- ja lämmönjohtavuuden sekä koneistuskyvyn.

Lämmönjohtavuus ja sähkönjohtavuus heikkenevät metallisarjassa:
Ag Cu Au Al Mg Zn Fe Pb Hg

Kaikki metallit on jaettu kahteen suureen ryhmään:

Mustat metallit
Niillä on tummanharmaa väri, korkea tiheys, korkea sulamispiste ja suhteellisen korkea kovuus.
Rauta on tyypillinen rautametallien edustaja.

Rautaa sisältämättömät metallit
Niillä on tyypillinen väri: punainen, keltainen, valkoinen; niillä on korkea plastisuus, alhainen kovuus, suhteellisen alhainen sulamispiste.
Tyypillinen ei-rautametallien edustaja on kupari.

Tiheyden mukaan metallit jaetaan:
*Keuhkot(tiheys enintään 5 g/cm)
Kevytmetallit sisältävät: litium, natrium, kalium, magnesium, kalsium, cesium, alumiini, barium.
Kevyin metalli on litium 1l, tiheys 0,534 g/cm3.
*Raskas(tiheys yli 5 g/cm3).
Raskasmetalleja ovat: sinkki, kupari, rauta, tina, lyijy, hopea, kulta, elohopea jne.
Raskain metalli on osmium, tiheys 22,5 g/cm3.

Metallien kovuus vaihtelee:
*Pehmeä: leikkaa jopa veitsellä (natrium, kalium, indium);
*Kiinteä: metallien kovuutta verrataan timanttiin, jonka kovuus on 10. Kromi on kovin metalli, se leikkaa lasia.

Sulamispisteestä riippuen metallit jaetaan ehdollisesti :
*sulava(sulamispiste jopa 1539 °C).
Matalasti sulavia metalleja ovat: elohopea - sulamispiste -38,9°C; gallium - sulamispiste 29,78 °C; cesium - sulamispiste 28,5 °C; ja muut metallit.
*Tulenkestävä(sulamispiste yli 1539 C).
Tulenkestäviä metalleja ovat: kromi - sulamispiste 1890 °C; molybdeeni - sulamispiste 2620 °C; vanadiini - sulamispiste 1900 °C; tantaali - sulamispiste 3015°C; ja monet muut metallit.
Tulenkestävä metalli on volframi - sulamispiste 3420°C.

Teräs on raudan seos, johon on lisätty hiiltä. Sen pääasiallinen käyttö rakentamisessa on lujuus, koska tämä aine säilyttää tilavuutensa ja muotonsa pitkään. Asia on, että kehon hiukkaset ovat tasapainoasennossa. Tässä tapauksessa hiukkasten välinen vetovoima ja hylkäysvoima ovat yhtä suuret. Hiukkaset ovat selkeästi määritellyssä järjestyksessä.

Tätä materiaalia on neljää tyyppiä: tavallinen, seostettu, niukkaseostettu, runsasseostettu teräs. Ne eroavat koostumuksessaan olevien lisäaineiden määrästä. Tavallinen sisältää pienen määrän ja kasvaa sitten. Käytä seuraavia lisäaineita:

• Mangaani.
• Nikkeli.
• Kromi.
• Vanadiini.
• Molybdeeni.

Teräksen sulamispisteet

Tietyissä olosuhteissa kiinteät aineet sulavat, eli ne muuttuvat nestemäisiksi. Jokainen aine tekee tämän tietyssä lämpötilassa.

• Sulaminen on prosessi, jossa aine muuttuu kiinteästä nestemäiseksi.
• Sulamispiste on lämpötila, jossa kiinteä kiteinen aine sulaa nestemäiseen tilaan. Merkitty t.

Fyysikot käyttävät erityistä sulamis- ja kiteytystaulukkoa, joka on annettu alla:

Taulukon perusteella voimme turvallisesti sanoa, että teräksen sulamispiste on 1400 ° C.

Ruostumaton teräs on yksi monista teräksessä esiintyvistä rautalejeeringeistä. Se sisältää 15-30 % kromia, mikä tekee siitä ruosteenkestävän muodostaen pinnalle suojaavan oksidikerroksen ja hiiltä. Tämän teräksen suosituimmat merkit ovat ulkomaisia. Nämä ovat 300. ja 400. sarja. Ne erottuvat lujuudestaan, epäsuotuisten olosuhteiden kestävyydestä ja plastisuudesta. 200. sarja on huonompi laatu, mutta halvempi. Tämä on valmistajan kannalta edullinen tekijä. Ensimmäistä kertaa sen koostumuksen huomasi vuonna 1913 Harry Brearley, joka suoritti monia erilaisia ​​​​kokeita teräksellä.

Tällä hetkellä ruostumaton teräs on jaettu kolmeen ryhmään:

• lämmönkestävä- korkeissa lämpötiloissa sillä on korkea mekaaninen lujuus ja stabiilisuus. Siitä valmistettuja osia käytetään lääketeollisuudessa, rakettiteollisuudessa ja tekstiiliteollisuudessa.
• Ruosteenkestävä- kestää hyvin ruosteprosesseja. Sitä käytetään kotitalous- ja lääketieteellisissä laitteissa sekä koneenrakennuksessa osien valmistukseen.
• lämmönkestävä- kestää korroosiota korkeissa lämpötiloissa, soveltuu käytettäväksi kemiantehtaissa.

Ruostumattoman teräksen sulamispiste vaihtelee sen laadusta ja seosten määrästä riippuen noin 1300 °C - 1400 °C.

Valurauta on hiilen ja raudan seos, se sisältää mangaanin, piin, rikin ja fosforin epäpuhtauksia. Kestää alhaisia ​​jännitteitä ja kuormia. Yksi sen monista eduista on alhaiset kustannukset kuluttajille. Valurautaa on neljää tyyppiä:

Teräksen ja valuraudan sulamispisteet ovat erilaiset, kuten yllä olevasta taulukosta ilmenee. Teräksellä on korkeampi lujuus ja kestävyys korkeita lämpötiloja vastaan ​​kuin valuraudalla, lämpötilat eroavat jopa 200 astetta. Valurautassa tämä luku vaihtelee noin 1100 - 1200 astetta sen sisältämistä epäpuhtauksista riippuen.

Metallin sulamispiste on vähimmäislämpötila, jossa se muuttuu kiinteästä nestemäiseksi. Sulamisen aikana sen tilavuus ei käytännössä muutu. Metallit luokitellaan sulamispisteen mukaan kuumennusasteen mukaan.

sulavat metallit

Sulavien metallien sulamispiste on alle 600°C. Näitä ovat sinkki, tina, vismutti. Tällaiset metallit voidaan sulattaa kuumentamalla niitä liedellä tai käyttämällä juotosraudaa. Sulavia metalleja käytetään elektroniikassa ja tekniikassa metallielementtien ja johtojen yhdistämiseen sähkövirran liikkumista varten. Lämpötila on 232 astetta ja sinkki - 419.

Keskisti sulavat metallit

Keskisulavat metallit alkavat muuttua kiinteästä tilasta nestemäiseksi lämpötiloissa 600 °C - 1600 °C. Niistä valmistetaan laattoja, raudoitustankoja, lohkoja ja muita rakentamiseen soveltuvia metallirakenteita. Tähän metalliryhmään kuuluvat rauta, kupari, alumiini, ne ovat myös osa monia seoksia. Kuparia lisätään jalometalliseoksiin, kuten kultaan, hopeaan ja platinaan. 750 kulta sisältää 25 % seosmetalleja, mukaan lukien kuparia, mikä antaa sille punertavan sävyn. Tämän materiaalin sulamispiste on 1084 °C. Ja alumiini alkaa sulaa suhteellisen alhaisessa lämpötilassa 660 celsiusastetta. Se on kevyt, sitkeä ja edullinen metalli, joka ei hapetu tai ruostu, joten sitä käytetään laajasti astioiden valmistuksessa. Lämpötila on 1539 astetta. Se on yksi suosituimmista ja edullisimmista metalleista, sen käyttö on laajalle levinnyt rakennus- ja autoteollisuudessa. Mutta koska rauta on alttiina korroosiolle, sitä on jatkokäsiteltävä ja peitettava suojaavalla maalikerroksella, kuivausöljyä tai kosteutta ei saa päästää sisään.

Tulenkestävät metallit

Tulenkestävien metallien lämpötila on yli 1600°C. Näitä ovat volframi, titaani, platina, kromi ja muut. Niitä käytetään valonlähteinä, koneenosina, voiteluaineina ja ydinteollisuudessa. Niistä valmistetaan johtoja, suurjännitejohtoja ja niitä käytetään sulattamaan muita metalleja, joilla on matalampi sulamispiste. Platina alkaa muuttua kiinteästä nestemäiseksi 1769 asteessa ja volframi 3420 °C:ssa.

Elohopea on ainoa metalli, joka on nestemäisessä tilassa normaaleissa olosuhteissa, nimittäin normaalissa ilmanpaineessa ja keskimääräisessä ympäristön lämpötilassa. Elohopean sulamispiste on miinus 39°C. Tämä metalli ja sen höyryt ovat myrkyllisiä, joten sitä käytetään vain suljetuissa astioissa tai laboratorioissa. Elohopeaa käytetään yleisesti lämpömittarina kehon lämpötilan mittaamiseen.

Jokaisella metallilla ja lejeeringillä on oma ainutlaatuinen joukko fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, joista vähiten on sulamispiste. Itse prosessi tarkoittaa kehon siirtymistä yhdestä aggregaatiotilasta toiseen, tässä tapauksessa kiinteästä kiteisestä tilasta nestemäiseen. Metallin sulattamiseksi siihen on syötettävä lämpöä, kunnes sulamispiste saavutetaan. Sen kanssa se voi silti pysyä kiinteässä tilassa, mutta lisäaltistuksen ja lämmön lisääntymisen myötä metalli alkaa sulaa. Jos lämpötilaa lasketaan, eli osa lämmöstä poistetaan, elementti kovettuu.

Metallien korkein sulamispiste kuuluu volframiin: se on 3422C o, alhaisin on elohopealla: alkuaine sulaa jo -39C o:ssa. Yleensä seoksille ei ole mahdollista määrittää tarkkaa arvoa: se voi vaihdella merkittävästi komponenttien prosenttiosuuden mukaan. Ne kirjoitetaan yleensä numerovälinä.

Miten se tapahtuu

Kaikkien metallien sulaminen tapahtuu suunnilleen samalla tavalla - ulkoisen tai sisäisen lämmityksen avulla. Ensimmäinen suoritetaan lämpöuunissa, toisessa käytetään resistiivistä lämmitystä sähkövirran kulkiessa tai induktiokuumennusta korkeataajuisessa sähkömagneettisessa kentässä. Molemmat vaihtoehdot vaikuttavat metalliin suunnilleen samalla tavalla.

Kun lämpötila nousee, niin myös se nousee molekyylien lämpövärähtelyjen amplitudi, ilmaantuu rakenteellisia hilavirheitä, jotka ilmenevät dislokaatioiden kasvuna, atomien hyppimisenä ja muina häiriöinä. Tähän liittyy atomien välisten sidosten katkeaminen ja se vaatii tietyn määrän energiaa. Samalla kehon pinnalle muodostuu lähes nestemäinen kerros. Hilan tuhoutumisaikaa ja vikojen kertymistä kutsutaan sulamiseksi.

Sulamispisteestä riippuen metallit jaetaan:

Riippuen sulamispisteestä valitse ja sulatuslaite. Mitä korkeampi pistemäärä, sitä vahvempi sen pitäisi olla. Löydät tarvitsemasi elementin lämpötilan taulukosta.

Toinen tärkeä arvo on kiehumispiste. Tämä on arvo, jolla nesteiden kiehumisprosessi alkaa, se vastaa kylläisen höyryn lämpötilaa, joka muodostuu kiehuvan nesteen tasaisen pinnan yläpuolelle. Yleensä se on lähes kaksi kertaa korkeampi kuin sulamispiste.

Molemmat arvot on annettu normaalipaineessa. Keskuudessaan he suoraan verrannollinen.

1. Paine kasvaa - sulamisen määrä kasvaa.
2. Paine laskee - sulamisen määrä vähenee.

Sulavien metallien ja metalliseosten taulukko (600C o asti)

Taulukko keskisulamisasteista metalleja ja metalliseoksia (600С o - 1600 o)

Lähes kaikkien tällä hetkellä laajalti käytettyjen metallien sulamispisteet on esitetty taulukossa. 1. Mainitaan myös harvinaisia ​​metalleja, joiden tuotanto ja käyttö kasvavat jatkuvasti. Kuten näette, metallien sulamispiste kattaa hyvin laajan alueen -39 (elohopea) - 3400 °C (volframi).
Metalleja, joiden sulamispiste on alle 500-600 °C, kutsutaan sulaviksi. Matalasti sulavia metalleja ovat sinkki ja kaikki muut taulukossa olevat metallit. 1 sen yläpuolella. On myös tapana erottaa ns. tulenkestävät metallit viittaamalla niihin, joilla on korkeampi sulamispiste kuin raudalla (1539 ° C), eli taulukon mukaan. 1 on titaania ja edelleen volframia.

Taulukon tiedoista. Kuva 1 osoittaa, että myös metallien tiheydet huoneenlämpötilassa ovat hyvin laajat. Kevyin metalli on litium, joka on noin 2 kertaa vettä kevyempi. Tekniikassa on tapana erottaa ryhmä kevytmetalleja, jotka toimivat pohjana rakennemetallimateriaaleille ilmailussa ja rakettitieteessä. Kevytmetallit sisältävät metallit, joiden tiheys ei ylitä 5 g/cm3. Tähän ryhmään kuuluvat titaani, alumiini, magnesium, beryllium, litium.
Kirjaimella d merkityn tiheyden ohella metallien ominaisuuksia kuvataan käänteisarvolla - ominaistilavuus v = 1d (cm3 g).
Lämpötilan noustessa kaikkien kiinteässä tilassa olevien metallien tiheys pienenee ja ominaistilavuus kasvaa vastaavasti. Kiinteän metallin ominaistilavuuden kasvua, joka ei käy läpi polymorfisia muutoksia kuumennettaessa Δt:llä, voidaan kuvata melko tarkasti lineaarisella riippuvuudella vtvt=vtv20°C (1+βtv Δt), jossa βtv on tilavuuden laajenemisen lämpötilakerroin. . Kuten fysiikasta tiedetään, βtv=3α, jossa α on lineaarisen laajenemisen lämpötilakerroin tietyllä lämpötila-alueella. Useimmille metalleille kuumennus huoneenlämpötilasta sulamislämpötilaan aiheuttaa tilavuuden kasvun 4-5 %, jolloin dtvtsula = 0,95/0,96dtv20°C.
Metallin siirtymiseen nestemäiseen tilaan liittyy useimmissa tapauksissa tilavuuden kasvu ja vastaava tiheyden väheneminen. Taulukossa. 1 tämä ilmaistaan ​​ominaistilavuuksien muutoksella Δv = 100 (vl - vtv)/vl, missä vl ja vtv ovat nestemäisen ja kiinteän metallin ominaistilavuuksia sulamislämpötilassa. Voidaan osoittaa, että Δv \u003d 100 (vl - vtv) / vl \u003d Δd \u003d 100 (dtv - dl) / dtv. Tiheyden pieneneminen sulamisen aikana ilmaistaan ​​muutamana prosentteina. On olemassa useita metalleja ja ei-metalleja, joiden tiheys ja ominaistilavuus muuttuvat käänteisesti sulaessa. Galliumin, vismutin, antimonin, germaniumin ja piin tilavuus pienenee sulamisen aikana, ja siksi niiden Δv:llä on negatiivinen arvo. Vertailun vuoksi voidaan todeta, että Vedalle Δv = -11%.
Pieni muutos metallien tilavuudessa sulamisen aikana osoittaa, että nestemäisen metallin atomien väliset etäisyydet eroavat vähän kidehilan atomien välisistä etäisyyksistä. Jokaisen atomin lähimpien naapureiden lukumäärä (ns. koordinaatioluku) nesteessä on yleensä hieman pienempi kuin kidehilassa. Metalleilla, joilla on tiiviisti pakattu rakenne, koordinaatioluku sulatuksen aikana laskee 12:sta 10-11:een, metalleille, joissa on o. c. rakenteessa tämä luku muuttuu 8:sta 6:een. Nestemäisessä metallissa lähellä sulamispistettä säilyy lyhyen kantaman järjestys, jossa vierekkäisten atomien sijoittuminen enintään noin kolmen atomihalkaisijan etäisyydelle säilyy samanlaisena kuin se oli kidehilassa, joka, kuten tiedetään, on myös kaukana. Sulamisen aikana metallit eivät havaitse perustavanlaatuista muutosta useissa ominaisuuksissa: lämmönjohtavuus, lämpökapasiteetti; sähkönjohtavuus pysyy samaa luokkaa kuin kiinteässä metallissa lähellä sulamispistettä.
Nestemäisen metallin lämpötilan nousu ei aiheuta vain asteittaista muutosta sen kaikissa ominaisuuksissa, vaan johtaa myös asteittaisiin rakenteellisiin uudelleenjärjestelyihin, jotka ilmaistaan ​​koordinaatioluvun vähenemisenä ja lyhyen kantaman järjestyksen asteittaisena häviämisenä järjestelyssä. atomeista. Lämpötilan nousun aiheuttamaa nestemäisen metallin ominaistilavuuden kasvua voidaan likimäärin kuvata lineaarisella riippuvuudella vzht = vzhtpl (1 + βl Δt). Nestemäisen metallin tilavuuslaajenemisen lämpötilakerroin on huomattavasti suurempi kuin kiinteän metallin. Yleensä βl = 1,5/3βtv.
Sekä kiinteässä että nestemäisessä tilassa olevat seokset eivät yleensä ole täydellisiä ratkaisuja, ja kahden tai useamman metallin fuusio liittyy aina tilavuuden muutokseen. Yleensä lejeeringin tilavuus pienenee verrattuna puhtaiden komponenttien kokonaistilavuuteen, kun otetaan huomioon niiden pitoisuus seoksessa. Teknisissä laskelmissa tilavuuden väheneminen fuusion aikana voidaan kuitenkin jättää huomiotta. Tässä tapauksessa seoksen ominaistilavuus voidaan määrittää additiivisuussäännöllä, eli puhtaiden komponenttien ominaistilavuuksien arvoista, ottaen huomioon niiden pitoisuus seoksessa. Siten seoksen ominaistilavuus, joka koostuu komponenteista A, B, C, ..., X, jotka sisältyvät painoprosentteina määrässä a, b, c, ..., x on

missä vA, vB, vC, vX ovat puhtaiden komponenttien ominaistilavuudet lämpötilassa, jolle lejeeringin ominaistilavuus lasketaan.
Nestemäisen metallin tilavuuden muutos ennen kiteytymistä ja sen aikana määrää ennalta tärkeimmän valuominaisuuden - tilavuuden kutistumisen, joka ilmenee, kuten myöhemmin osoitetaan, kutistumisonteloina ja huokoisuutena (löysyys) valukappaleessa.
Valukappaleen suhteellisen tilavuuskutistumisen suurin mahdollinen arvo on Δvmax = 100 (vЖt - vТвtmelt)/vЖt, missä vЖt on nestemäisen metallin ominaistilavuus valulämpötilassa t; ttvtpl - kiinteän metallin ominaistilavuus sulamislämpötilassa.
Valukappaleissa kokeellisesti havaittu tilavuuskutistuminen on yleensä pienempi kuin Δvmax. Tämä selittyy sillä, että kun muotti täytetään, sula jäähtyy ja kiteytyminen voi jopa alkaa, joten sulan alkutilaa muotissa ei karakterisoida ominaistilavuudella vtl. Kovetetun valukappaleen jäähdyttäminen huoneenlämpötilaan ei vaikuta suhteelliseen tilavuuskutistumiseen.
Metalleista ja seoksista tehdyissä valuissa, joiden Δv-arvot ovat negatiiviset (katso taulukko 1), ei havaita kutistumista, vaan sulan niin sanottua kasvua - ekstruusiota valukappaleiden pinnalle.