1. Температура плавлення матеріалів Кристалічні та аморфні матеріали
2. Плавлення кристалічних і аморфних матеріалів
3. теплота плавлення
4. плавлення металів
5. Температури ликвидус і солидус
6. Температура плавлення алюмінію
7. Чистота алюмінію
8. тиск
9. Плавлення алюмінієвих сплавів
10. Інтервали температури плавлення
11. плавлення силуміну
12. Затвердіння алюмінію і його сплавів
13. Алюмінієвий сплав
14. Нагрівання алюмінієвих сплавів для лиття
15. Температура кипіння
16. Температура плавлення інших металів

Температура плавлення матеріалів

Кристалічні та аморфні матеріали

Будь-шматок металу, наприклад, алюмінію, містить мільйони окремих кристалів, які називаються зернами. Кожне зерно має свою унікальну орієнтацію атомної решітки, але все в місці зерна орієнтовані всередині цього шматка випадковим чином. Така структура називається полікристалічної.

Багато важливих матеріали є некристалічні - рідини і гази, наприклад. Метал втрачає свою кристалічну структуру, коли плавиться. Ртуть є рідким металом при кімнатній температурі з температурою плавлення мінус 38 ºС.

Багато важливих класів інженерних матеріалів мають некристалічні структуру в своєму твердому стані. Їх часто називають аморфними матеріалами. До них відносяться такі матеріали, як скло, багато пластики і гума. Багато важливих пластики є сумішшю кристалічних і аморфних матеріалів.

Аморфні матеріали відрізняються від кристалічних матеріалів по двом важливим відмінностям, які пов'язані один з одним:

• відсутність дальнього порядку молекулярної структури
• відмінності в характері плавлення і термічного розширення.

Різниця молекулярної структури можна бачити на малюнку 1. Зліва показана щільно упакована і впорядкована кристалічна структура. Аморфний матеріал показаний праворуч: менш щільна структура з випадковим розташуванням атомів.

Малюнок 1 - Структура кристалічних (а) і аморфних (б) матеріалів.
Кристалічна структура: упорядкована, що повторюється і щільна,
аморфна структура - більш вільно упакована
з безладним розташуванням атомів.

Плавлення кристалічних і аморфних матеріалів

Ця різниця в структурі проявляється при плавленні металів. Менш щільно упаковані атоми дають збільшення обсягу (зниження щільності) в порівнянні з тим же металом в твердому кристалічному стані.

Метали при плавленні відчувають збільшення обсягу. У чистих металів це об'ємне зміна відбувається досить різко і при постійній температурі - температурі плавлення, як це показано на малюнку 2. Ця зміна є розрив між похилими лініями по обидва боки від точки плавлення. Обидві ці похилі лінії характеризують температурне розширення металу, яке зазвичай є різним в рідкому і твердому стані.

Малюнок 2 - Характерне зміна обсягу чистого металу
в порівнянні зі зміною обсягу аморфного матеріалу [4]:
Tg - температура склування (переходу рідкого стану в тверде);
Tm - температура плавлення

теплота плавлення

З цим різким збільшенням обсягу при переході металу з твердого стану в рідке пов'язано певну кількість тепла, яке називається прихованою теплотою плавлення. Це тепло змушує атоми втрачати щільну і впорядковане кристалічну структуру. Цей процес є оборотним, він працює в обох напрямках - і при нагріванні, і при охолодженні.

плавлення металів

Рівноважна температура плавлення

Як було показано вище, чисті кристалічні речовини, наприклад, чисті метали, мають характерну температуру плавлення, яку часто називають «точкою плавлення». При цій температурі це чисте тверде кристалічна речовина плавиться і стає рідиною. Перехід між твердим і рідким станом для малих зразків чистих металів настільки малий, що може вимірюватися з точністю 0,1 ° С.

Рідини мають характерну температуру, при якій вони перетворюються на тверду речовину. Цю температуру називають температурою затвердіння або точкою затвердіння. Теоретично - в рівноважних умовах - рівноважна температура плавлення твердої речовини є тією ж самою, що і рівноважна температура його затвердіння. На практиці можна спостерігати невеликі відмінності між цими величинами (рисунок 3).

Малюнок 3 - Криві охолодження і нагрівання чистого металу.
Видно явища переохолодження при охолодженні і перегріву при нагріванні.
На початку затвердіння спостерігається западина на кривій охолодження,
що пояснюється уповільненим початком кристалізації [4]

Температури ликвидус і солидус

При плавленні сплаву температура початку плавлення називається температурою солидус (або точкою солидус), а температура закінчення плавлення - температурою ликвидус (або точкою ликвидус). «Солідус» означає, зрозуміло, твердий, а «ликвидус» - рідкий: при температурі солідусу весь сплав ще твердий, а при температурі ліквідусу - весь вже рідкий.

При затвердінні цього сплаву з рідкого стану температура початку кристалізації (затвердіння) буде та ж температурою ликвидус, а закінчення кристалізації - та ж температура солидус. При температурі сплаву між його температурами солідусу і ліквідусу він знаходиться в напіврідкому-напівтвердих, кашоподібну стані.

Температура плавлення алюмінію

плавлення алюмінію , Як і інших речовин, відбувається при підводі до нього теплової енергії, зовні або безпосередньо в його обсяг, як це відбувається, наприклад, при індукційному нагріванні.

Чистота алюмінію

Температура плавлення алюмінію залежить від його чистоти:

• Температура плавлення надчистого алюмінію 99,996%: 660,37 ° С.
• При утриманні алюмінію 99,5% плавлення починається при 657 ° С.
• При утриманні алюмінію 99,0% плавлення починається при 643 ° С.

тиск

Температура плавлення алюмінію підвищується зі збільшенням тиску. Залежність температури плавлення алюмінію від тиску представлена ​​на малюнок 3.

малюнок 4

Плавлення алюмінієвих сплавів

Вплив легуючих елементів і домішок

Додавання в алюміній інших елементів, в тому числі легуючих, знижує температуру його плавлення, точніше - початку його плавлення. Так, у деяких ливарних алюмінієвих сплавів з великим вмістом кремнію і магнію температура початку плавлення знижується майже до 500 ° С. Взагалі, поняття «температура плавлення» поширюється тільки на чисті метали і інші кристалічні речовини. У сплавів же немає певної температури плавлення: процес їх плавлення (і затвердіння) відбувається в деякому інтервалі температур.

Малюнок 5 - Зміна питомої обсягу чистого металу (алюмінію) і
сплаву цього металу (алюмінієвого сплаву) [4]

Інтервали температури плавлення

У таблиці нижче представлені температури ліквідусу і солідусу деяких промислових сплавів, що деформуються. Необхідно мати на увазі, що поняття температур солидус і ликвидус визначені для рівноважних перетворень рідкої фази в тверду і назад, тобто при нескінченної тривалості процесів. На практиці треба робити поправки з урахуванням швидкості нагріву або охолодження.

плавлення силуміну

Не всі сплави мають інтервал між температурами солидус і ликвидус. Такі сплави називають евтектичним. Наприклад, у алюмінієвого сплаву з вмістом 12,5% кремнію точки ликвидуса і солідусу зводяться в точку: цей сплав як і чисті метали має не інтервал, а точку плавлення. Ця точка і температура називаються евтектичними. Цей сплав відноситься до знаменитих ливарним алюмінієво-кремнієвих сплавів - силуміну з вузьким інтервалом солидус-ликвидус, що і дає їх кращі ливарні властивості.

У подвійному сплаві Al-Si температура солидус постійна і становить 577 ° С. При збільшенні вмісту кремнію температура ликвидус знижується від максимального значення для чистого алюмінію 660 ° С і до збігу з температурою солідусу 577 ° С при вмісті кремнію 12,6%.

Серед інших легуючих елементів алюмінію найсильніше знижує температуру плавлення магній: евтектична температура 450 ° С досягається при вмісті магнію 18,9%. Мідь дає евтектичну температуру 548 ° С, а марганець - всього лише 658 ° С! Більшість сплавів не є подвійними, а потрійними і навіть четверні. Тому при спільному впливі декількох легуючих елементів температура солідусу - початку плавлення або кінця затвердіння може бути ще нижче.

Затвердіння алюмінію і його сплавів

чистий алюміній

Чисті метали, в тому числі, чистий алюміній, мають чітку температуру плавлення - точку плавлення. Затвердіння або «замерзання» чистого алюмінію відбувається також при постійній температурі. Коли чистий рідкий алюміній охолоджується, його температура падає до температури затвердіння і залишається при цій температурі, поки весь він (рідкий алюміній) не затвердіє. На малюнку 6 показана типова крива охолодження чистого металу з переходом його з рідкого стану в твердий.

Малюнок 6 Крива охолодження чистого металу (наприклад, алюмінію) [3]

Алюмінієвий сплав

При затвердінні алюмінієвого сплаву, який складається з алюмінію і розчиненого в ньому легуючого елемента, наприклад, кремнію або міді, то крива охолодження цього сплаву показує, що початок затвердіння відбувається при одній температурі, а закінчення - при іншій температурі (малюнок 7).

Малюнок 7 - Крива охолодження сплаву (наприклад, алюмінієвого сплаву) [3]

Нагрівання алюмінієвих сплавів для лиття

Для нагріву алюмінієвого сплаву до температури рідкого стану, при якій можливе виконання операцій лиття, застосовують плавильні печі різних видів. Теплова енергія, яка потрібна для того, щоб нагріти метал до температури рідкого стану, при якій його можна розливати в ливарні форми, складається з суми наступних компонентів:

• Теплота, щоб підняти температуру металу до температури плавлення
• Теплота плавлення, щоб перевести метал з твердого стану в рідкий стан
• Теплота для нагріву розплавленого металу до заданої температури розливання

Температура розливання - це температура розплавленого металу, при якій він заливається в ливарну форму. Важливим фактором тут є різниця між температурою розливання і температурою, при якій починається затвердіння. Цією температурою є температура (точка) плавлення для чистого алюмінію або температура ликвидус для алюмінієвого сплаву. Цю різницю температур іноді називають перегрівом. Цей термін також може застосовуватися для кількості теплоти, яке треба відібрати від рідкого металу між розливанням і моментом початку затвердіння.

Температура кипіння

• Температура кипіння чистого алюмінію складає 2494 ºС [1]

Інші термічні властивості алюмінію [1]:

• прихована теплота плавлення: 397 кДж / г
• питома теплота випаровування: 1,18 · 10-4 MДж / (г · К)
• теплота згоряння: 31,05 МДж / кг
• теплоємність: 0,900 кДж / (г · К) при 25 ° С;
  1,18 кДж / (г · К) при 660,4 ° С (рідкий)

Температура плавлення інших металів

Температура плавлення деяких інших чистих металів становить (градуси Цельсія) [1]:

• ртуть: мінус 39
• літій: 181
• олово: 232
• свинець: 328
• цинк: 420
• магній: 650
• мідь: тисячі вісімдесят п'ять
• нікель: 1 455
• залізо: 1538
• титан: 1670

джерела:
1. Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, 1993
2. Handbook of Aluminum: Vol. 1, ed. GE Totten, DS MacKenzie, 2003
3. Groover, Mikell P. Fundamentals of modern manufacturing: materials, processes and systems, 4th ed. - JOHN WILEY & SONS 2010
4. Introduction to Alloy Phase Diagrams - ASM International, 1992