Właściwości fizyczne metali. Metody topienia metali nieżelaznych: temperatura topnienia, gęstość i objętość właściwa

Gęstość i temperatura topnienia niektórych metali.

W przypadku metali najbardziej charakterystyczne są następujące właściwości:
*metaliczny połysk
*twardość,
*Plastikowy,
*plastyczność,
*dobra przewodność ciepła i elektryczności.

Wszystkie metale mają metaliczną sieć krystaliczną:
jony naładowane dodatnio znajdują się w jego węzłach, a elektrony swobodnie poruszają się między nimi.
Obecność wolnych elektronów wyjaśnia wysoką przewodność elektryczną i cieplną, a także możliwość obróbki.

Spadek przewodnictwa cieplnego i przewodnictwa elektrycznego w szeregu metali:
Ag Cu Au Al Mg Zn Fe Pb Hg

Wszystkie metale dzielą się na dwie duże grupy:

Czarne metale
Mają ciemnoszary kolor, dużą gęstość, wysoką temperaturę topnienia i stosunkowo dużą twardość.
Żelazo jest typowym przedstawicielem metali żelaznych.

Metale nieżelazne
Mają charakterystyczny kolor: czerwony, żółty, biały; mają wysoką plastyczność, niską twardość, stosunkowo niską temperaturę topnienia.
Typowym przedstawicielem metali nieżelaznych jest miedź.

W zależności od gęstości metale dzielą się na:
*Płuca(gęstość nie większa niż 5 g/cm)
Do metali lekkich należą: lit, sód, potas, magnez, wapń, cez, glin, bar.
Najlżejszy metal to lit 1l o gęstości 0,534 g/cm3.
*ciężki(gęstość większa niż 5 g/cm3).
Do metali ciężkich należą: cynk, miedź, żelazo, cyna, ołów, srebro, złoto, rtęć itp.
Najcięższym metalem jest osm o gęstości 22,5 g/cm3.

Metale różnią się twardością:
*Miękki: ciąć nawet nożem (sód, potas, ind);
*Solidny: metale są porównywane pod względem twardości z diamentem, którego twardość wynosi 10. Chrom jest najtwardszym metalem, tnie szkło.

W zależności od temperatury topnienia metale są warunkowo podzielone na :
*topliwy(temperatura topnienia do 1539°C).
Do metali niskotopliwych należą: rtęć - temperatura topnienia -38,9°C; gal - temperatura topnienia 29,78°C; cez - temperatura topnienia 28,5°C; i inne metale.
*Oporny(temperatura topnienia powyżej 1539 C).
Do metali ogniotrwałych należą: chrom - temperatura topnienia 1890°C; molibden - temperatura topnienia 2620°C; wanad - temperatura topnienia 1900°C; tantal - temperatura topnienia 3015°C; i wiele innych metali.
Najbardziej ogniotrwałym metalem jest wolfram - temperatura topnienia 3420°C.

Stal to stop żelaza, do którego dodaje się węgiel. Jej głównym zastosowaniem w budownictwie jest wytrzymałość, ponieważ substancja ta przez długi czas zachowuje swoją objętość i kształt. Chodzi o to, że cząsteczki ciała są w stanie równowagi. W tym przypadku siła przyciągania i siła odpychania między cząstkami są równe. Cząsteczki są w jasno określonej kolejności.

Istnieją cztery rodzaje tego materiału: stal zwykła, stopowa, niskostopowa, wysokostopowa. Różnią się ilością dodatków w swoim składzie. Zwykle zawiera niewielką ilość, a następnie wzrasta. Użyj następujących dodatków:

• Mangan.
• Nikiel.
• Chrom.
• Wanad.
• Molibden.

Punkty topnienia stali

W pewnych warunkach ciała stałe topią się, to znaczy stają się płynne. Każda substancja robi to w określonej temperaturze.

• Topienie to proces zmiany substancji ze stanu stałego w ciekły.
• Temperatura topnienia to temperatura, w której stała substancja krystaliczna topi się w stan ciekły. Oznaczono t.

Fizycy posługują się specyficzną tabelą topnienia i krystalizacji, która jest podana poniżej:

Na podstawie tabeli możemy śmiało powiedzieć, że temperatura topnienia stali wynosi 1400°C.

Stal nierdzewna jest jednym z wielu stopów żelaza występujących w stali. Zawiera od 15 do 30% chromu, dzięki czemu jest odporny na rdzę, tworząc na powierzchni ochronną warstwę tlenku i węgla. Najpopularniejsze marki tej stali są zagraniczne. To seria 300 i 400. Wyróżnia je wytrzymałość, odporność na niekorzystne warunki oraz plastyczność. Seria 200 jest gorszej jakości, ale tańsza. Jest to korzystny czynnik dla producenta. Po raz pierwszy jego skład został zauważony w 1913 roku przez Harry'ego Brearleya, który przeprowadził wiele różnych eksperymentów na stali.

Obecnie stal nierdzewna dzieli się na trzy grupy:

• odporne na ciepło- w wysokich temperaturach ma dużą wytrzymałość mechaniczną i stabilność. Części z niego wykonane są wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym, przemyśle rakietowym i tekstylnym.
• Odporny na rdzę- posiada wysoką odporność na procesy rdzewienia. Znajduje zastosowanie w sprzęcie domowym i medycznym, a także w inżynierii mechanicznej do produkcji części.
• odporne na ciepło- jest odporny na korozję w wysokich temperaturach, nadaje się do stosowania w zakładach chemicznych.

Temperatura topnienia stali nierdzewnej zmienia się w zależności od jej gatunku i ilości stopów od około 1300°C do 1400°C.

Żeliwo jest stopem węgla i żelaza, zawiera zanieczyszczenia manganu, krzemu, siarki i fosforu. Wytrzymuje niskie napięcia i obciążenia. Jedną z wielu jego zalet jest niski koszt dla konsumentów. Żeliwo ma cztery rodzaje:

Temperatury topnienia stali i żeliwa są różne, jak podano w powyższej tabeli. Stal ma wyższą wytrzymałość i odporność na wysokie temperatury niż żeliwo, temperatury różnią się nawet o 200 stopni. W żeliwie liczba ta waha się od około 1100 do 1200 stopni, w zależności od zawartych w nim zanieczyszczeń.

Temperatura topnienia metalu to minimalna temperatura, w której zmienia się ze stanu stałego w ciekły. Podczas topienia jego objętość praktycznie się nie zmienia. Metale są klasyfikowane według temperatury topnienia w zależności od stopnia nagrzania.

metale topliwe

Metale topliwe mają temperaturę topnienia poniżej 600°C. Są to cynk, cyna, bizmut. Takie metale można wtopić, podgrzewając je na kuchence lub używając lutownicy. Metale topliwe są stosowane w elektronice i inżynierii do łączenia metalowych elementów i przewodów w celu przepływu prądu elektrycznego. Temperatura wynosi 232 stopnie, a cynk - 419.

Metale średniotopliwe

Metale średniotopliwe zaczynają przechodzić ze stanu stałego do ciekłego w temperaturach od 600°C do 1600°C. Służą do wykonywania płyt, prętów zbrojeniowych, bloków i innych konstrukcji metalowych nadających się do budowy. Ta grupa metali obejmuje żelazo, miedź, aluminium, są one również częścią wielu stopów. Miedź jest dodawana do stopów metali szlachetnych, takich jak złoto, srebro i platyna. 750 złota zawiera 25% metali stopowych, w tym miedzi, co nadaje mu czerwonawy odcień. Temperatura topnienia tego materiału wynosi 1084°C. A aluminium zaczyna się topić w stosunkowo niskiej temperaturze 660 stopni Celsjusza. Jest to lekki, ciągliwy i niedrogi metal, który nie utlenia się ani nie rdzewieje, dlatego jest szeroko stosowany w produkcji przyborów kuchennych. Temperatura wynosi 1539 stopni. Jest to jeden z najpopularniejszych i najbardziej przystępnych cenowo metali, jego zastosowanie jest szeroko rozpowszechnione w branży budowlanej i motoryzacyjnej. Ale ze względu na to, że żelazo podlega korozji, należy je poddać dalszej obróbce i pokryć ochronną warstwą farby, schnącym olejem lub wilgocią.

Metale ogniotrwałe

Temperatura metali ogniotrwałych przekracza 1600°C. Są to wolfram, tytan, platyna, chrom i inne. Wykorzystywane są jako źródła światła, części maszyn, smary oraz w przemyśle jądrowym. Służą do wytwarzania drutów, drutów wysokiego napięcia oraz służą do topienia innych metali o niższej temperaturze topnienia. Platyna zaczyna zmieniać się ze stałej w płynną w 1769 stopniach, a wolfram w 3420°C.

Rtęć jest jedynym metalem, który jest w stanie ciekłym w normalnych warunkach, a mianowicie przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i średniej temperaturze otoczenia. Temperatura topnienia rtęci wynosi minus 39°C. Ten metal i jego opary są trujące, dlatego używa się go tylko w zamkniętych pojemnikach lub w laboratoriach. Powszechnym zastosowaniem rtęci jest termometr do pomiaru temperatury ciała.

Każdy metal i stop ma swój własny, unikalny zestaw właściwości fizycznych i chemicznych, wśród 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 utwardzi się.

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 polega na ogrzewaniu oporowym z przepływem prądu elektrycznego lub nagrzewaniem indukcyjnym 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. Możesz sprawdzić temperaturę potrzebnego elementu z tabeli.

Kolejną ważną wartością jest temperatura wrzenia. Jest to wartość, przy której rozpoczyna się proces wrzenia cieczy, odpowiada ona temperaturze pary nasyconej, która tworzy się nad płaską powierzchnią wrzącej cieczy. Zwykle jest prawie dwa razy wyższy niż temperatura topnienia.

Obie wartości podano przy normalnym ciśnieniu. 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)

Temperatury topnienia prawie wszystkich obecnie powszechnie stosowanych metali podano w tabeli. 1. Wspomniane są również niektóre metale rzadkie, których produkcja i wykorzystanie stale rośnie. Jak widać, temperatura topnienia metali obejmuje bardzo duży zakres od -39 (rtęć) do 3400 °C (wolfram).
Metale o temperaturze topnienia poniżej 500-600 ° C nazywane są topliwymi. Do metali niskotopliwych zaliczamy cynk i wszystkie inne metale wymienione w tabeli. 1 nad nim. Zwyczajowo rozróżnia się również tak zwane metale ogniotrwałe, odnosząc się do nich te, które mają wyższą temperaturę topnienia niż żelazo (1539 ° C), tj. zgodnie z tabelą. 1 to tytan, a dalej wolfram.

Z danych w tabeli. 1 pokazuje, że gęstości metali w temperaturze pokojowej również mają bardzo szeroki zakres. Najlżejszym metalem jest lit, który jest około 2 razy lżejszy od wody. W technologii zwyczajowo wyróżnia się grupę metali lekkich, które służą jako podstawa materiałów konstrukcyjnych z metalu w lotnictwie i nauce rakietowej. Do metali lekkich zaliczamy te, których gęstość nie przekracza 5 g/cm3. Do tej grupy należą tytan, aluminium, magnez, beryl, lit.
Wraz z gęstością, oznaczoną literą d, do opisu właściwości metali stosuje się wartość odwrotną - objętość właściwa v = 1d (cm3 g).
Wraz ze wzrostem temperatury gęstość wszystkich metali w stanie stałym maleje, a objętość właściwa odpowiednio wzrasta. Wzrost objętości właściwej metalu stałego, który nie ulega przemianom polimorficznym po podgrzaniu o Δt, można dość dokładnie opisać zależnością liniową vtvt=vtv20°C (1+βtv Δt), gdzie βtv jest temperaturowym współczynnikiem rozszerzalności objętości . Jak wiadomo z fizyki, βtv=3α, gdzie α jest współczynnikiem temperaturowym rozszerzalności liniowej w danym zakresie temperatur. Dla większości metali ogrzewanie od temperatury pokojowej do temperatury topnienia powoduje wzrost objętości o 4-5%, tak że dtvtmelt = 0,95/0,96dtv20°C.
Przejściu metalu do stanu ciekłego w większości przypadków towarzyszy wzrost objętości i odpowiedni spadek gęstości. W tabeli. 1 wyraża się to zmianą objętości właściwych Δv = 100 (vl - vtv)/vl, gdzie vl i vtv są objętościami właściwymi ciekłego i stałego metalu w temperaturze topnienia. Można wykazać, że Δv \u003d 100 (vl - vtv) / vl \u003d Δd \u003d 100 (dtv - dl) / dtv. Spadek gęstości podczas topienia wyraża się w kilku procentach. Istnieje kilka metali i niemetali, które po stopieniu wykazują odwrotną zmianę gęstości i objętości właściwej. Gal, bizmut, antymon, german, krzem zmniejszają objętość podczas topienia i dlatego ich Δv ma wartość ujemną. Dla porównania można zauważyć, że dla Wedy Δv = -11%.
Niewielka zmiana objętości metali podczas topienia wskazuje, że odległości między atomami w ciekłym metalu niewiele różnią się od odległości międzyatomowych w sieci krystalicznej. Liczba najbliższych sąsiadów dla każdego atomu (tzw. liczba koordynacyjna) w cieczy jest zwykle nieco mniejsza niż w sieci krystalicznej. W przypadku metali o ciasno upakowanych strukturach liczba koordynacyjna podczas topienia spada z 12 do 10-11, w przypadku metali z o. c. struktury, liczba ta zmienia się od 8 do 6. W ciekłym metalu w pobliżu temperatury topnienia zachowany jest porządek krótkozasięgowy, w którym układ sąsiednich atomów w odległości do około trzech średnic atomowych pozostaje podobny do tego, jaki był w sieci krystalicznej, która, jak wiadomo, również jest daleko. Podczas topienia metale nie wykazują zasadniczej zmiany wielu właściwości: przewodności cieplnej, pojemności cieplnej; przewodność elektryczna pozostaje tego samego rzędu, co w litym metalu w pobliżu temperatury topnienia.
Wzrost temperatury ciekłego metalu powoduje nie tylko stopniową zmianę wszystkich jego właściwości, ale także prowadzi do stopniowych przebudów strukturalnych, które wyrażają się spadkiem liczby koordynacyjnej i stopniowym zanikiem uporządkowania krótkozasięgowego w układzie atomów. Wzrost objętości właściwej ciekłego metalu spowodowany wzrostem temperatury można w przybliżeniu opisać zależnością liniową vzht = vzhtpl (1 + βl Δt). Współczynnik temperaturowy rozszerzalności objętościowej ciekłego metalu jest znacznie większy niż stałego metalu. Zwykle β1 = 1,5/3 βtv.
Stopy, zarówno w stanie stałym, jak i ciekłym, na ogół nie są idealnymi rozwiązaniami, a stopienie dwóch lub więcej metali zawsze wiąże się ze zmianą objętości. Z reguły następuje zmniejszenie objętości stopu w stosunku do całkowitej objętości czystych składników, biorąc pod uwagę ich zawartość w stopie. Jednak do obliczeń technicznych można pominąć zmniejszenie objętości podczas stapiania. W tym przypadku objętość właściwą stopu można określić na podstawie zasady addytywności, tj. z wartości objętości właściwych czystych składników, biorąc pod uwagę ich zawartość w stopie. Zatem objętość właściwa stopu, który składa się ze składników A, B, C, ..., X, zawartych w procentach wagowych w ilości a, b, c, ..., x wynosi

gdzie vA, vB, vC, vX są objętościami właściwymi czystych składników w temperaturze, dla której obliczana jest objętość właściwa stopu.
Zmiana objętości ciekłego metalu przed i podczas krystalizacji determinuje z góry najważniejszą właściwość odlewu - skurcz objętościowy, który objawia się, jak to zostanie pokazane dalej, w postaci wnęk skurczowych i porowatości (luźności) w korpusie odlewu.
Maksymalna możliwa wartość względnego skurczu objętościowego odlewu jest równa Δvmax = 100 (vЖt - vтвтм)/vЖt, gdzie vЖt jest objętością właściwą ciekłego metalu w temperaturze odlewania t; ttvtpl - określona objętość stałego metalu w temperaturze topnienia.
Eksperymentalnie wykryty skurcz objętościowy w odlewach jest zwykle mniejszy niż Δvmax. Wyjaśnia to fakt, że po napełnieniu formy stopiony materiał ochładza się i może nawet rozpocząć się krystalizacja, więc początkowy stan stopu w formie nie charakteryzuje się objętością właściwą vtl. Schłodzenie utwardzonego odlewu do temperatury pokojowej nie wpływa na względny skurcz objętościowy.
W odlewach z metali i stopów o ujemnych wartościach Δv (patrz tabela 1) nie stwierdza się skurczu, ale tzw. rozrost - wyciskanie stopionego materiału na powierzchnię odlewów.