Sifat fizikal logam. Kaedah untuk mencairkan logam bukan ferus: takat lebur, ketumpatan dan isipadu tertentu

Ketumpatan dan takat lebur sesetengah logam.

Untuk logam, sifat-sifat berikut adalah yang paling ciri:
*kilauan logam
* kekerasan,
*plastik,
* kemuluran,
*kekonduksian haba dan elektrik yang baik.

Semua logam mempunyai kekisi kristal logam:
ion bercas positif terletak pada nodnya, dan elektron bergerak bebas di antara mereka.
Kehadiran elektron bebas menerangkan kekonduksian elektrik dan haba yang tinggi, serta keupayaan untuk dimesin.

Kekonduksian terma dan kekonduksian elektrik berkurangan dalam siri logam:
Ag Cu Au Al Mg Zn Fe Pb Hg

Semua logam dibahagikan kepada dua kumpulan besar:

Logam hitam
Mereka mempunyai warna kelabu gelap, ketumpatan tinggi, takat lebur yang tinggi dan kekerasan yang agak tinggi.
Besi adalah wakil tipikal logam ferus.

Logam bukan ferus
Mereka mempunyai warna ciri: merah, kuning, putih; mempunyai keplastikan yang tinggi, kekerasan rendah, takat lebur yang agak rendah.
Wakil tipikal logam bukan ferus ialah tembaga.

Mengikut ketumpatannya, logam dibahagikan kepada:
*Paru-paru(ketumpatan tidak lebih daripada 5 g/cm)
Logam ringan termasuk: litium, natrium, kalium, magnesium, kalsium, sesium, aluminium, barium.
Logam paling ringan ialah litium 1l, ketumpatan 0.534 g/cm3.
*berat(ketumpatan lebih besar daripada 5 g/cm3).
Logam berat termasuk: zink, tembaga, besi, timah, plumbum, perak, emas, merkuri, dll.
Logam yang paling berat ialah osmium, ketumpatan 22.5 g/cm3.

Logam berbeza dalam kekerasannya:
*Lembut: potong walaupun dengan pisau (natrium, kalium, indium);
*Padat: logam dibandingkan dalam kekerasan dengan berlian, yang kekerasannya ialah 10. Chrome ialah logam yang paling keras, ia memotong kaca.

Bergantung pada takat lebur, logam dibahagikan secara bersyarat kepada :
*boleh melebur(takat lebur sehingga 1539°C).
Logam lebur rendah termasuk: merkuri - takat lebur -38.9°C; galium - takat lebur 29.78°C; cesium - takat lebur 28.5°C; dan logam lain.
*Refraktori(takat lebur melebihi 1539 C).
Logam refraktori termasuk: kromium - takat lebur 1890°C; molibdenum - takat lebur 2620°C; vanadium - takat lebur 1900°C; tantalum - takat lebur 3015°C; dan banyak logam lain.
Logam yang paling refraktori ialah tungsten - takat lebur 3420°C.

Keluli ialah aloi besi yang mana karbon ditambah. Penggunaan utamanya dalam pembinaan adalah kekuatan, kerana bahan ini mengekalkan jumlah dan bentuknya untuk masa yang lama. Masalahnya ialah zarah badan berada dalam kedudukan keseimbangan. Dalam kes ini, daya tarikan dan daya tolakan antara zarah adalah sama. Zarah-zarah berada dalam susunan yang jelas.

Terdapat empat jenis bahan ini: keluli biasa, aloi, aloi rendah, keluli aloi tinggi. Mereka berbeza dalam jumlah bahan tambahan dalam komposisi mereka. Yang biasa mengandungi jumlah yang kecil, dan kemudian meningkat. Gunakan bahan tambahan berikut:

• Mangan.
• nikel.
• Chromium.
• Vanadium.
• Molibdenum.

Titik lebur keluli

Dalam keadaan tertentu, pepejal cair, iaitu, ia menjadi cecair. Setiap bahan melakukan ini pada suhu tertentu.

• Peleburan ialah proses menukar bahan daripada pepejal kepada keadaan cecair.
• Takat lebur ialah suhu di mana bahan hablur pepejal cair menjadi keadaan cecair. Ditandakan t.

Ahli fizik menggunakan jadual tertentu lebur dan penghabluran, yang diberikan di bawah:

Berdasarkan jadual, kita boleh mengatakan dengan selamat bahawa takat lebur keluli ialah 1400 ° C.

Keluli tahan karat adalah salah satu daripada banyak aloi besi yang terdapat dalam keluli. Ia mengandungi 15 hingga 30% Chromium, yang menjadikannya tahan karat, mewujudkan lapisan pelindung oksida pada permukaan, dan karbon. Jenama keluli ini yang paling popular adalah asing. Ini adalah siri ke-300 dan ke-400. Mereka dibezakan oleh kekuatan mereka, ketahanan terhadap keadaan buruk dan keplastikan. Siri ke-200 adalah berkualiti rendah, tetapi lebih murah. Ini adalah faktor yang menguntungkan bagi pengilang. Buat pertama kalinya, komposisinya diperhatikan pada tahun 1913 oleh Harry Brearley, yang menjalankan banyak eksperimen berbeza pada keluli.

Pada masa ini, keluli tahan karat dibahagikan kepada tiga kumpulan:

• tahan panas- pada suhu tinggi ia mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi dan kestabilan. Bahagian yang diperbuat daripadanya digunakan dalam bidang farmaseutikal, industri roket, dan industri tekstil.
• Tahan karat- mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap proses pengaratan. Ia digunakan dalam peralatan rumah tangga dan perubatan, serta dalam kejuruteraan mekanikal untuk pembuatan bahagian.
• tahan panas- tahan kakisan pada suhu tinggi, sesuai digunakan dalam loji kimia.

Takat lebur keluli tahan karat berbeza-beza bergantung pada grednya dan jumlah aloi dari kira-kira 1300 °C hingga 1400 °C.

Besi tuang adalah aloi karbon dan besi, ia mengandungi kekotoran mangan, silikon, sulfur dan fosforus. Menahan voltan rendah dan beban. Salah satu kelebihannya ialah kosnya yang rendah untuk pengguna. Besi tuang terdiri daripada empat jenis:

Takat lebur keluli dan besi tuang adalah berbeza, seperti yang dinyatakan dalam jadual di atas. Keluli mempunyai kekuatan dan rintangan yang lebih tinggi terhadap suhu tinggi daripada besi tuang, suhu berbeza sebanyak 200 darjah. Dalam besi tuang, bilangan ini berjulat dari kira-kira 1100 hingga 1200 darjah, bergantung pada kekotoran yang terkandung di dalamnya.

Takat lebur logam ialah suhu minimum di mana ia berubah daripada pepejal kepada cecair. Semasa lebur, isipadunya secara praktikal tidak berubah. Logam dikelaskan mengikut takat lebur bergantung kepada tahap pemanasan.

logam boleh melebur

Logam boleh lebur mempunyai takat lebur di bawah 600°C. Ini adalah zink, timah, bismut. Logam sedemikian boleh dicairkan dengan memanaskannya di atas dapur, atau menggunakan besi pematerian. Logam boleh lebur digunakan dalam elektronik dan kejuruteraan untuk menyambung unsur logam dan wayar untuk pergerakan arus elektrik. Suhu ialah 232 darjah, dan zink - 419.

Logam lebur sederhana

Logam lebur sederhana mula berubah daripada pepejal kepada keadaan cecair pada suhu dari 600°C hingga 1600°C. Ia digunakan untuk membuat papak, rebar, blok dan struktur logam lain yang sesuai untuk pembinaan. Kumpulan logam ini termasuk besi, tembaga, aluminium, mereka juga merupakan sebahagian daripada banyak aloi. Tembaga ditambah kepada aloi logam berharga seperti emas, perak dan platinum. 750 emas mengandungi 25% logam aloi, termasuk tembaga, yang memberikannya warna kemerahan. Takat lebur bahan ini ialah 1084 °C. Dan aluminium mula cair pada suhu yang agak rendah iaitu 660 darjah Celsius. Ia adalah logam ringan, mulur dan murah yang tidak mengoksida atau berkarat, jadi ia digunakan secara meluas dalam pembuatan perkakas. Suhu ialah 1539 darjah. Ia adalah salah satu logam yang paling popular dan berpatutan, penggunaannya meluas dalam industri pembinaan dan automotif. Tetapi memandangkan fakta bahawa besi tertakluk kepada kakisan, ia mesti diproses selanjutnya dan ditutup dengan lapisan pelindung cat, minyak pengeringan, atau kelembapan tidak boleh dibenarkan masuk.

Logam refraktori

Suhu logam refraktori melebihi 1600°C. Ini adalah tungsten, titanium, platinum, kromium dan lain-lain. Ia digunakan sebagai sumber cahaya, bahagian mesin, pelincir, dan dalam industri nuklear. Ia digunakan untuk membuat wayar, wayar voltan tinggi dan digunakan untuk mencairkan logam lain dengan takat lebur yang lebih rendah. Platinum mula berubah daripada pepejal kepada cecair pada 1769 darjah, dan tungsten pada 3420°C.

Merkuri adalah satu-satunya logam yang berada dalam keadaan cair dalam keadaan normal, iaitu tekanan atmosfera normal dan suhu persekitaran purata. Takat lebur merkuri ialah tolak 39°C. Logam ini dan asapnya beracun, jadi ia hanya digunakan dalam bekas tertutup atau di makmal. Kegunaan biasa merkuri adalah sebagai termometer untuk mengukur suhu badan.

Setiap logam dan aloi mempunyai set unik sifat fizikal dan kimianya, tidak kurang daripadanya ialah takat lebur. Proses itu sendiri bermaksud peralihan badan dari satu keadaan pengagregatan ke keadaan lain, dalam kes ini, dari keadaan kristal pepejal kepada cecair. Untuk mencairkan logam, perlu membekalkan haba kepadanya sehingga takat lebur dicapai. Dengan itu, ia masih boleh kekal dalam keadaan pepejal, tetapi dengan pendedahan lanjut dan peningkatan haba, logam mula cair. Jika suhu diturunkan, iaitu sebahagian daripada haba dikeluarkan, unsur akan mengeras.

Takat lebur tertinggi antara logam kepunyaan tungsten: ia ialah 3422C o, yang paling rendah ialah untuk merkuri: unsur cair sudah pada - 39C o. Sebagai peraturan, tidak mungkin untuk menentukan nilai yang tepat untuk aloi: ia boleh turun naik dengan ketara bergantung pada peratusan komponen. Mereka biasanya ditulis sebagai rentang nombor.

Bagaimana ia berlaku

Pencairan semua logam berlaku dengan cara yang lebih kurang sama - dengan bantuan pemanasan luaran atau dalaman. Yang pertama dijalankan dalam relau terma, untuk yang kedua, pemanasan rintangan digunakan dengan laluan arus elektrik atau pemanasan induksi dalam medan elektromagnet frekuensi tinggi. Kedua-dua pilihan mempengaruhi logam dengan cara yang sama.

Apabila suhu meningkat, begitu juga amplitud getaran haba molekul, kecacatan kekisi struktur muncul, yang dinyatakan dalam pertumbuhan terkehel, melompat atom, dan gangguan lain. Ini disertai dengan pemecahan ikatan antara atom dan memerlukan sejumlah tenaga. Pada masa yang sama, lapisan kuasi-cecair terbentuk pada permukaan badan. Tempoh pemusnahan kekisi dan pengumpulan kecacatan dipanggil lebur.

Bergantung kepada takat lebur, logam dibahagikan kepada:

Bergantung pada takat lebur pilih dan radas lebur. Lebih tinggi skor, lebih kuat ia sepatutnya. Anda boleh mengetahui suhu elemen yang anda perlukan dari jadual.

Satu lagi nilai penting ialah takat didih. Ini adalah nilai di mana proses mendidih cecair bermula, ia sepadan dengan suhu wap tepu yang terbentuk di atas permukaan rata cecair mendidih. Biasanya ia hampir dua kali lebih tinggi daripada takat lebur.

Kedua-dua nilai diberikan pada tekanan normal. Antara mereka sendiri berkadar langsung.

1. Tekanan meningkat - jumlah lebur akan meningkat.
2. Tekanan berkurangan - jumlah lebur berkurangan.

Jadual logam boleh melebur dan aloi (sehingga 600C o)

Jadual logam dan aloi lebur sederhana (dari 600С o hingga 1600С o)

Takat lebur hampir semua logam yang digunakan secara meluas diberikan dalam Jadual. 1. Terdapat juga disebutkan beberapa logam jarang, pengeluaran dan penggunaannya sentiasa berkembang. Seperti yang anda lihat, takat lebur logam meliputi julat yang sangat besar dari -39 (merkuri) hingga 3400 °C (tungsten).
Logam dengan takat lebur di bawah 500-600 ° C dipanggil boleh melebur. Logam lebur rendah termasuk zink dan semua logam lain yang terdapat dalam Jadual. 1 di atasnya. Ia juga lazim untuk memilih logam refraktori yang dipanggil, merujuk kepada mereka yang mempunyai takat lebur yang lebih tinggi daripada besi (1539 ° C), iaitu, mengikut Jadual. 1 ialah titanium dan seterusnya kepada tungsten.

Daripada data dalam Jadual. 1 menunjukkan bahawa ketumpatan logam pada suhu bilik juga mempunyai julat yang sangat luas. Logam paling ringan ialah litium, iaitu kira-kira 2 kali lebih ringan daripada air. Dalam teknologi, adalah kebiasaan untuk memilih sekumpulan logam ringan yang berfungsi sebagai asas untuk bahan logam struktur dalam penerbangan dan sains roket. Logam ringan termasuk logam yang ketumpatannya tidak melebihi 5 g/cm3. Kumpulan ini termasuk titanium, aluminium, magnesium, berilium, litium.
Bersama-sama dengan ketumpatan, dilambangkan dengan huruf d, nilai songsang digunakan untuk menerangkan sifat logam - isipadu tertentu v = 1d (cm3 g).
Dengan peningkatan suhu, ketumpatan semua logam dalam keadaan pepejal berkurangan, dan isipadu khusus meningkat dengan sewajarnya. Peningkatan dalam isipadu khusus logam pepejal yang tidak mengalami transformasi polimorfik apabila dipanaskan oleh Δt boleh digambarkan dengan agak tepat oleh pergantungan linear vtvt=vtv20°C (1+βtv Δt), di mana βtv ialah pekali suhu pengembangan isipadu . Seperti yang diketahui dari fizik, βtv=3α, di mana α ialah pekali suhu pengembangan linear dalam julat suhu tertentu. Bagi kebanyakan logam, pemanasan dari suhu bilik ke suhu lebur menyebabkan peningkatan isipadu sebanyak 4-5%, supaya dtvtmelt = 0.95/0.96dtv20°C.
Peralihan logam kepada keadaan cecair disertai dalam kebanyakan kes dengan peningkatan dalam isipadu dan penurunan ketumpatan yang sepadan. Dalam jadual. 1 ini dinyatakan melalui perubahan dalam isipadu tertentu Δv = 100 (vl - vtv)/vl, di mana vl dan vtv ialah isipadu khusus cecair dan logam pepejal pada suhu lebur. Ia boleh ditunjukkan bahawa Δv \u003d 100 (vl - vtv) / vl \u003d Δd \u003d 100 (dtv - dl) / dtv. Penurunan ketumpatan semasa lebur dinyatakan sebagai beberapa peratus. Terdapat beberapa logam dan bukan logam yang menunjukkan perubahan songsang dalam ketumpatan dan isipadu tertentu apabila lebur. Galium, bismut, antimoni, germanium, silikon berkurangan dalam isipadu semasa lebur, dan oleh itu Δv mereka mempunyai nilai negatif. Sebagai perbandingan, boleh diperhatikan bahawa untuk Veda Δv = -11%.
Perubahan sedikit dalam isipadu logam semasa lebur menunjukkan bahawa jarak antara atom dalam logam cecair berbeza sedikit daripada jarak interatomik dalam kekisi kristal. Bilangan jiran terdekat untuk setiap atom (yang dipanggil nombor koordinasi) dalam cecair biasanya kurang sedikit daripada dalam kekisi kristal. Untuk logam dengan struktur rapat, nombor koordinasi semasa lebur berkurangan daripada 12 kepada 10-11, untuk logam dengan o. c. struktur, nombor ini berubah daripada 8 kepada 6. Dalam logam cecair berhampiran takat lebur, susunan jarak pendek dikekalkan, di mana susunan atom jiran pada jarak sehingga kira-kira tiga diameter atom kekal serupa dengan apa itu. dalam kekisi kristal, yang, seperti yang diketahui, juga jauh. Semasa lebur, logam tidak melihat perubahan asas dalam beberapa sifat: kekonduksian terma, kapasiti haba; kekonduksian elektrik kekal dalam susunan yang sama seperti dalam logam pepejal berhampiran takat lebur.
Peningkatan suhu logam cecair menyebabkan bukan sahaja perubahan beransur-ansur dalam semua sifatnya, tetapi juga membawa kepada penyusunan semula struktur secara beransur-ansur, yang dinyatakan dalam penurunan nombor penyelarasan dan kehilangan secara beransur-ansur susunan jarak dekat dalam susunan daripada atom. Peningkatan dalam isipadu khusus logam cecair yang disebabkan oleh peningkatan suhu boleh digambarkan secara lebih kurang oleh pergantungan linear vzht = vzhtpl (1 + βl Δt). Pekali suhu pengembangan isipadu logam cecair adalah jauh lebih besar daripada logam pepejal. Biasanya βl = 1.5/3βtv.
Aloi, kedua-dua dalam pepejal dan dalam keadaan cecair, secara amnya bukanlah penyelesaian yang sempurna, dan gabungan dua atau lebih logam sentiasa dikaitkan dengan perubahan dalam isipadu. Sebagai peraturan, terdapat penurunan dalam jumlah aloi berbanding dengan jumlah isipadu komponen tulen, dengan mengambil kira kandungannya dalam aloi. Walau bagaimanapun, untuk pengiraan teknikal, penurunan volum semasa pelakuran boleh diabaikan. Dalam kes ini, isipadu khusus aloi boleh ditentukan oleh peraturan tambahan, iaitu, dari nilai isipadu khusus komponen tulen, dengan mengambil kira kandungannya dalam aloi. Oleh itu, isipadu tentu aloi, yang terdiri daripada komponen A, B, C, ..., X, yang terkandung dalam peratusan mengikut berat dalam jumlah a, b, c, ..., x ialah

dengan vA, vB, vC, vX ialah isipadu khusus komponen tulen pada suhu yang mana isipadu khusus aloi dikira.
Perubahan dalam isipadu logam cecair sebelum dan semasa penghabluran menentukan terlebih dahulu sifat tuangan yang paling penting - pengecutan volumetrik, yang menunjukkan dirinya, seperti yang akan ditunjukkan kemudian, dalam bentuk rongga pengecutan dan keliangan (kelonggaran) dalam badan tuangan.
Nilai maksimum yang mungkin bagi pengecutan isipadu relatif tuangan adalah sama dengan Δvmax = 100 (vЖt - vТвtmelt)/vЖt, dengan vЖt ialah isipadu khusus logam cecair pada suhu menuang t; ttvtpl - isipadu khusus logam pepejal pada suhu lebur.
Pengecutan isipadu yang dikesan secara eksperimen dalam tuangan biasanya kurang daripada Δvmaks. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa apabila acuan diisi, leburan menjadi sejuk dan penghabluran mungkin bermula, jadi keadaan awal leburan dalam acuan tidak dicirikan oleh volum tertentu vtl. Menyejukkan tuangan yang dikeraskan ke suhu bilik tidak menjejaskan pengecutan isipadu relatif.
Dalam tuangan daripada logam dan aloi dengan nilai negatif Δv (lihat Jadual 1), ia bukan pengecutan yang ditemui, tetapi apa yang dipanggil pertumbuhan - penyemperitan cair ke permukaan tuangan.