Fyzikálne vlastnosti kovov. Metódy tavenia neželezných kovov: teplota topenia, hustota a špecifický objem

Hustota a teplota topenia niektorých kovov.

Pre kovy sú najcharakteristickejšie tieto vlastnosti:
*kovový lesk
* tvrdosť,
*plast,
* ťažnosť,
* dobrá vodivosť tepla a elektriny.

Všetky kovy majú kovovú kryštálovú mriežku:
v jeho uzloch sú umiestnené kladne nabité ióny a medzi nimi sa voľne pohybujú elektróny.
Prítomnosť voľných elektrónov vysvetľuje vysokú elektrickú a tepelnú vodivosť, ako aj schopnosť opracovania.

Tepelná vodivosť a elektrická vodivosť sa znižujú v rade kovov:
Ag Cu Au Al Mg Zn Fe Pb Hg

Všetky kovy sú rozdelené do dvoch veľkých skupín:

Čierne kovy
Majú tmavosivú farbu, vysokú hustotu, vysoký bod topenia a relatívne vysokú tvrdosť.
Železo je typickým predstaviteľom železných kovov.

Neželezné kovy
Majú charakteristickú farbu: červená, žltá, biela; majú vysokú plasticitu, nízku tvrdosť, relatívne nízku teplotu topenia.
Typickým predstaviteľom farebných kovov je meď.

Podľa hustoty sa kovy delia na:
*Pľúca(hustota nie väčšia ako 5 g/cm)
Medzi ľahké kovy patria: lítium, sodík, draslík, horčík, vápnik, cézium, hliník, bárium.
Najľahším kovom je lítium 1l, hustota 0,534 g/cm3.
*Ťažký(hustota väčšia ako 5 g/cm3).
Medzi ťažké kovy patria: zinok, meď, železo, cín, olovo, striebro, zlato, ortuť atď.
Najťažším kovom je osmium, hustota 22,5 g/cm3.

Kovy sa líšia svojou tvrdosťou:
*Mäkký: rezať aj nožom (sodík, draslík, indium);
*Pevné: kovy sa tvrdosťou porovnávajú s diamantom, ktorého tvrdosť je 10. Chróm je najtvrdší kov, reže sklo.

V závislosti od teploty topenia sa kovy podmienečne delia na :
*taviteľné(teplota topenia do 1539 °C).
Medzi kovy s nízkou teplotou topenia patria: ortuť - bod topenia -38,9°C; gálium - teplota topenia 29,78°C; cézium - teplota topenia 28,5°C; a iné kovy.
*Žiaruvzdorné(teplota topenia nad 1539 °C).
Medzi žiaruvzdorné kovy patria: chróm - teplota topenia 1890°C; molybdén - teplota topenia 2620 °C; vanád - teplota topenia 1900°C; tantal - teplota topenia 3015°C; a mnoho ďalších kovov.
Najviac žiaruvzdorný kov je volfrám - bod topenia 3420°C.

Oceľ je zliatina železa, do ktorej sa pridáva uhlík. Jeho hlavným využitím v stavebníctve je pevnosť, pretože táto látka si dlho zachováva svoj objem a tvar. Ide o to, že častice tela sú v rovnovážnej polohe. V tomto prípade sú sila príťažlivosti a sila odpudzovania medzi časticami rovnaké. Častice sú v jasne definovanom poradí.

Existujú štyri typy tohto materiálu: obyčajná, legovaná, nízkolegovaná, vysokolegovaná oceľ. Líšia sa množstvom prísad v ich zložení. Zvyčajné obsahuje malé množstvo a potom sa zvyšuje. Použite nasledujúce prísady:

• mangán.
• Nikel.
• Chromium.
• Vanád.
• molybdén.

Teploty tavenia ocele

Za určitých podmienok sa tuhé látky topia, to znamená, že sa stávajú tekutými. Každá látka to robí pri určitej teplote.

• Tavenie je proces premeny látky z pevného na kvapalné skupenstvo.
• Teplota topenia je teplota, pri ktorej sa tuhá kryštalická látka topí a stáva sa tekutou. Označené t.

Fyzici používajú špecifickú tabuľku topenia a kryštalizácie, ktorá je uvedená nižšie:

Na základe tabuľky môžeme bezpečne povedať, že bod tavenia ocele je 1400 ° C.

Nehrdzavejúca oceľ je jednou z mnohých zliatin železa, ktoré sa nachádzajú v oceli. Obsahuje 15 až 30 % chrómu, vďaka čomu je odolný voči hrdzi, vytvára na povrchu ochrannú vrstvu oxidu a uhlík. Najobľúbenejšie značky tejto ocele sú zahraničné. Ide o 300. a 400. sériu. Vyznačujú sa pevnosťou, odolnosťou voči nepriaznivým podmienkam a plasticitou. 200. séria je menej kvalitná, ale lacnejšia. Pre výrobcu je to výhodný faktor. Prvýkrát si jeho zloženie všimol v roku 1913 Harry Brearley, ktorý vykonal mnoho rôznych experimentov s oceľou.

V súčasnosti je nehrdzavejúca oceľ rozdelená do troch skupín:

• tepluvzdorný- pri vysokých teplotách má vysokú mechanickú pevnosť a stabilitu. Diely, ktoré sa z neho vyrábajú, sa používajú v oblasti farmácie, raketového priemyslu a textilného priemyslu.
• Odolný voči hrdzi- má vysokú odolnosť voči procesom hrdzavenia. Používa sa v domácich a zdravotníckych zariadeniach, ako aj v strojárstve na výrobu dielov.
• tepluvzdorný- je odolný voči korózii pri vysokých teplotách, vhodný na použitie v chemických prevádzkach.

Teplota topenia nehrdzavejúcej ocele sa mení v závislosti od jej kvality a množstva zliatin od približne 1300 °C do 1400 °C.

Liatina je zliatina uhlíka a železa, obsahuje nečistoty mangánu, kremíka, síry a fosforu. Odoláva nízkemu napätiu a záťaži. Jednou z jeho mnohých výhod sú nízke náklady pre spotrebiteľov. Liatina je štyroch typov:

Teploty tavenia ocele a liatiny sú rôzne, ako je uvedené v tabuľke vyššie. Oceľ má vyššiu pevnosť a odolnosť voči vysokým teplotám ako liatina, teploty sa líšia až o 200 stupňov. V liatine sa toto číslo pohybuje približne od 1100 do 1200 stupňov v závislosti od nečistôt, ktoré obsahuje.

Teplota topenia kovu je minimálna teplota, pri ktorej sa mení z pevného na kvapalné. Počas tavenia sa jeho objem prakticky nemení. Kovy sú klasifikované podľa bodu topenia v závislosti od stupňa ohrevu.

taviteľné kovy

Taviteľné kovy majú bod topenia pod 600 °C. Sú to zinok, cín, bizmut. Takéto kovy je možné roztaviť zahrievaním na sporáku alebo pomocou spájkovačky. Tavné kovy sa používajú v elektronike a strojárstve na spájanie kovových prvkov a drôtov na pohyb elektrického prúdu. Teplota je 232 stupňov a zinok - 419.

Stredne topiace sa kovy

Stredne taviteľné kovy začínajú prechádzať z pevného do kvapalného skupenstva pri teplotách od 600°C do 1600°C. Používajú sa na výrobu dosiek, výstuže, blokov a iných kovových konštrukcií vhodných na stavbu. Do tejto skupiny kovov patrí železo, meď, hliník, sú tiež súčasťou mnohých zliatin. Meď sa pridáva do zliatin drahých kovov, ako je zlato, striebro a platina. Zlato 750 obsahuje 25 % zliatinových kovov vrátane medi, ktorá mu dodáva červenkastý odtieň. Teplota topenia tohto materiálu je 1084 °C. A hliník sa začne topiť pri relatívne nízkej teplote 660 stupňov Celzia. Je to ľahký, tvárny a lacný kov, ktorý neoxiduje a nehrdzavie, preto má široké využitie pri výrobe riadu. Teplota je 1539 stupňov. Patrí medzi najobľúbenejšie a cenovo dostupné kovy, jeho využitie je rozšírené v stavebníctve a automobilovom priemysle. Ale vzhľadom na skutočnosť, že železo podlieha korózii, je potrebné ho ďalej spracovávať a pokryť ochrannou vrstvou farby, nesmie sa do neho dostať sušiaci olej alebo vlhkosť.

Žiaruvzdorné kovy

Teplota žiaruvzdorných kovov je nad 1600°C. Ide o volfrám, titán, platinu, chróm a iné. Používajú sa ako svetelné zdroje, časti strojov, mazivá a v jadrovom priemysle. Vyrábajú sa z nich drôty, vysokonapäťové drôty a používajú sa na tavenie iných kovov s nižšou teplotou topenia. Platina sa začína meniť z pevnej látky na kvapalnú pri 1769 stupňoch a volfrám pri 3420°C.

Ortuť je jediný kov, ktorý je za normálnych podmienok, konkrétne pri normálnom atmosférickom tlaku a priemernej teplote okolia, v kvapalnom stave. Teplota topenia ortuti je mínus 39 °C. Tento kov a jeho výpary sú jedovaté, preto sa používa iba v uzavretých nádobách alebo v laboratóriách. Ortuť sa bežne používa ako teplomer na meranie telesnej teploty.

Každý kov a zliatina má svoj vlastný jedinečný súbor fyzikálnych a chemických vlastností, v neposlednom rade je to bod topenia. Samotný proces znamená prechod tela z jedného stavu agregácie do druhého, v tomto prípade z pevného kryštalického stavu do kvapalného. Na roztavenie kovu je potrebné dodávať mu teplo, kým sa nedosiahne teplota topenia. S ním môže stále zostať v pevnom stave, ale s ďalším vystavením a zvýšením tepla sa kov začne topiť. Ak sa teplota zníži, to znamená, že sa časť tepla odoberie, prvok stvrdne.

Najvyššia teplota topenia medzi kovmi patrí k volfrámu: je 3422C o, najnižšia je pre ortuť: prvok sa topí už pri -39C o. Spravidla nie je možné určiť presnú hodnotu zliatin: môže sa výrazne líšiť v závislosti od percenta zložiek. Zvyčajne sa píšu ako číselný rozsah.

ako sa to deje

K roztaveniu všetkých kovov dochádza približne rovnakým spôsobom - pomocou vonkajšieho alebo vnútorného ohrevu. Prvý sa uskutočňuje v tepelnej peci, pri druhom sa používa odporový ohrev s prechodom elektrického prúdu alebo indukčný ohrev vo vysokofrekvenčnom elektromagnetickom poli. Obe možnosti ovplyvňujú kov približne rovnakým spôsobom.

So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje amplitúda tepelných vibrácií molekúl objavujú sa defekty štrukturálnej mriežky, ktoré sa prejavujú rastom dislokácií, skákaním atómov a inými poruchami. To je sprevádzané rozpadom medziatómových väzieb a vyžaduje si určité množstvo energie. Zároveň sa na povrchu tela vytvorí kvázi tekutá vrstva. Obdobie deštrukcie mriežky a akumulácie defektov sa nazýva topenie.

V závislosti od teploty topenia sa kovy delia na:

V závislosti od teploty topenia vyberte a taviace zariadenie. Čím vyššie skóre, tým silnejší by mal byť. Teplotu prvku, ktorý potrebujete, zistíte z tabuľky.

Ďalšou dôležitou hodnotou je bod varu. Toto je hodnota, pri ktorej začína proces varu kvapalín, zodpovedá teplote nasýtenej pary, ktorá sa tvorí nad rovným povrchom vriacej kvapaliny. Zvyčajne je takmer dvakrát vyššia ako teplota topenia.

Obe hodnoty sú uvedené pri normálnom tlaku. Medzi sebou oni priamo úmerné.

1. Tlak sa zvyšuje - množstvo tavenia sa zvýši.
2. Tlak klesá - množstvo tavenia klesá.

Tabuľka taviteľných kovov a zliatin (do 600C o)

Tabuľka stredne taviteľných kovov a zliatin (od 600 С o do 1600 С o)

Teploty topenia takmer všetkých v súčasnosti široko používaných kovov sú uvedené v tabuľke. 1. Spomínajú sa aj niektoré vzácne kovy, ktorých výroba a využitie neustále rastie. Ako vidíte, teplota topenia kovov pokrýva veľmi široký rozsah od -39 (ortuť) do 3400 °C (volfrám).
Kovy s teplotou topenia pod 500-600 ° C sa nazývajú taviteľné. Kovy s nízkou teplotou topenia zahŕňajú zinok a všetky ostatné kovy nachádzajúce sa v tabuľke. 1 nad ním. Je tiež obvyklé rozlišovať takzvané žiaruvzdorné kovy, ktoré označujú tie, ktoré majú vyššiu teplotu topenia ako železo (1539 ° C), t.j. podľa tabuľky. 1 je titán a ďalej volfrám.

Z údajov v tabuľke. 1 ukazuje, že hustoty kovov pri izbovej teplote majú tiež veľmi široký rozsah. Najľahším kovom je lítium, ktoré je asi 2-krát ľahšie ako voda. V technológii je zvykom vyčleniť skupinu ľahkých kovov, ktoré slúžia ako základ pre konštrukčné kovové materiály v letectve a raketovej vede. Medzi ľahké kovy patria tie, ktorých hustota nepresahuje 5 g/cm3. Táto skupina zahŕňa titán, hliník, horčík, berýlium, lítium.
Spolu s hustotou, označenou písmenom d, sa na popis vlastností kovov používa aj prevrátená hodnota - špecifický objem v = 1d (cm3 g).
So zvyšujúcou sa teplotou klesá hustota všetkých kovov v pevnom stave a zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje aj špecifický objem. Zväčšenie špecifického objemu tuhého kovu, ktorý pri zahriatí o Δt neprechádza polymorfnými premenami, možno celkom presne opísať lineárnou závislosťou vtvt=vtv20°C (1+βtv Δt), kde βtv je teplotný koeficient objemovej rozťažnosti. . Ako je známe z fyziky, βtv=3α, kde α je teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti v danom teplotnom rozsahu. U väčšiny kovov zahriatie z izbovej teploty na teplotu topenia spôsobí zväčšenie objemu o 4-5 %, takže dtvtmelt = 0,95/0,96dtv20°C.
Prechod kovu do kvapalného stavu je vo väčšine prípadov sprevádzaný zväčšením objemu a zodpovedajúcim znížením hustoty. V tabuľke. 1 je to vyjadrené prostredníctvom zmeny špecifických objemov Δv = 100 (vl - vtv)/vl, kde vl a vtv sú špecifické objemy tekutého a pevného kovu pri teplote topenia. Dá sa ukázať, že Δv \u003d 100 (vl - vtv) / vl \u003d Δd \u003d 100 (dtv - dl) / dtv. Pokles hustoty počas tavenia je vyjadrený v niekoľkých percentách. Existuje niekoľko kovov a nekovov, ktoré pri tavení vykazujú inverznú zmenu hustoty a špecifického objemu. Gálium, bizmut, antimón, germánium, kremík pri tavení zmenšujú svoj objem, a preto má ich Δv zápornú hodnotu. Pre porovnanie možno poznamenať, že pre Vedu Δv = -11%.
Mierna zmena objemu kovov počas tavenia naznačuje, že vzdialenosti medzi atómami v tekutom kove sa len málo líšia od medziatómových vzdialeností v kryštálovej mriežke. Počet najbližších susedov pre každý atóm (tzv. koordinačné číslo) v kvapaline je zvyčajne o niečo menší ako v kryštálovej mriežke. Pre kovy s tesne zbalenými štruktúrami koordinačné číslo pri tavení klesá z 12 na 10-11, pre kovy s o. c. štruktúre sa toto číslo mení z 8 na 6. V tekutom kove blízko bodu topenia sa zachováva poradie krátkeho dosahu, v ktorom usporiadanie susedných atómov vo vzdialenosti do asi troch atómových priemerov zostáva podobné tomu, aké bolo v kryštálovej mriežke, ktorá, ako je známe, má tiež ďaleko. Pri tavení kovy nepozorujú zásadnú zmenu v rade vlastností: tepelná vodivosť, tepelná kapacita; elektrická vodivosť zostáva rovnakého rádu ako v pevnom kove blízko bodu topenia.
Zvýšenie teploty tekutého kovu spôsobuje nielen postupnú zmenu všetkých jeho vlastností, ale vedie aj k postupným štrukturálnym preskupeniam, ktoré sa prejavujú poklesom koordinačného čísla a postupným zánikom krátkodosahového usporiadania. atómov. Zväčšenie špecifického objemu tekutého kovu spôsobené zvýšením teploty možno približne popísať lineárnou závislosťou vzht = vzhtpl (1 + βl Δt). Teplotný koeficient objemovej rozťažnosti tekutého kovu je podstatne vyšší ako u pevného kovu. Zvyčajne βl = 1,5/3βtv.
Zliatiny v pevnom aj kvapalnom stave vo všeobecnosti nie sú dokonalými riešeniami a fúzia dvoch alebo viacerých kovov je vždy spojená so zmenou objemu. Spravidla dochádza k poklesu objemu zliatiny v porovnaní s celkovým objemom čistých zložiek s prihliadnutím na ich obsah v zliatine. Pre technické výpočty však možno pokles objemu počas fúzie zanedbať. V tomto prípade môže byť špecifický objem zliatiny určený pravidlom aditivity, t.j. z hodnôt špecifických objemov čistých zložiek, berúc do úvahy ich obsah v zliatine. Špecifický objem zliatiny, ktorú tvoria zložky A, B, C, ..., X, obsiahnutý v hmotnostných percentách v množstve a, b, c, ..., x je teda

kde vA, vB, vC, vX sú špecifické objemy čistých zložiek pri teplote, pre ktorú sa vypočítava špecifický objem zliatiny.
Zmena objemu tekutého kovu pred a počas kryštalizácie predurčuje najdôležitejšiu vlastnosť odliatku - objemové zmrštenie, ktoré sa prejavuje, ako sa ukáže neskôr, v podobe zmršťovacích dutín a pórovitosti (voľnosti) v tele odliatku.
Maximálna možná hodnota relatívneho objemového zmrštenia odliatku sa rovná Δvmax = 100 (vЖt - vТвtmelt)/vЖt, kde vЖt je špecifický objem tekutého kovu pri teplote liatia t; ttvtpl - špecifický objem pevného kovu pri teplote topenia.
Experimentálne zistené objemové zmrštenie v odliatkoch je zvyčajne menšie ako Δvmax. Vysvetľuje sa to tým, že pri plnení formy dochádza k ochladzovaniu taveniny a dokonca môže začať kryštalizácia, takže počiatočný stav taveniny vo forme nie je charakterizovaný špecifickým objemom vtl. Ochladenie vytvrdeného odliatku na izbovú teplotu neovplyvňuje relatívne objemové zmrštenie.
Pri odliatkoch z kovov a zliatin so zápornými hodnotami Δv (pozri tabuľku 1) nie je zistené zmršťovanie, ale takzvaný rast - vytláčanie taveniny na povrch odliatkov.