19.06.2020
При термическом воздействии на детали в процессе сварки важно учитывать температуру плавления металлов. От этого показателя зависят токовые параметры.
Необходимо создать электрической дугу или пламя в газовой горелке такой тепловой мощности, чтобы разрушить молекулярные связи.
Параметр, при котором сталь или цветной сплав плавится, учитывают при выборе конструкционных материалов для узлов, испытывающих силу трения или металлоконструкций, испытывающих термическое воздействие.
Процесс плавления
При термовоздействии на деталь изменение внутренней структуры происходит за счет накопления энергии молекулами. Скорость их движения возрастает. В критической точке нагрева начинается разрушение кристаллической структуры, межмолекулярные связи уже не могут удержать молекулы в узлах решетки.
Взамен колебательным движениям в пределах узла происходит хаотическое движение, образуется ванна расплава в месте нагрева. Точку начала расплавления вещества в лабораторных условиях определяют до сотых долей градуса, причем этот показатель не зависит от внешнего давления на заготовку.
В вакууме и под давлением металлические заготовки начинают плавиться при одной и той же температуре, это объясняется процессом накопления внутренней энергии, необходимой для разрушения межмолекулярных связей.
Классификация металлов по температуре плавления
В физике переход твердого тела в жидкое состояние характерен только для веществ кристаллической структуры. Температуру плавления металлов чаще обозначают диапазоном значений, для сплавов точно определить нагрев до пограничного фазового состояния сложно. Для чистых элементов каждый градус имеет значение, особенно, если это легкоплавкие элементы,
значения не имеет. Сводная таблица показателей t обычно делится на 3 группы. Помимо легкоплавких элементов, которые максимально нагревают до +600°С, указывают тугоплавкие, выдерживающие нагрев свыше +1600°С, и среднеплавкие. В этой группе сплавы, образующие ванну расплава при температуре от +600 до 1600°С.
Процесс сварки оптоволокна
Разница между температурой плавления и кипения
Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.
При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.
Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:
Физическое состояние | Сплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистость | Переход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава |
Фазовый переход | Равновесие между жидкой и твердой фазами | Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха |
Влияние внешнего давления | Не меняется | Изменяется, падает при разряжении |
Таблицы температур плавления металлов и сплавов
Для удобства границы фазового перехода указаны по группам в порядке возрастания t фазового перехода из твердого в жидкое состояние. Из всех элементов выбраны часто встречающиеся.
Таблица плавления легкоплавких металлов и сплавов (расплавляются до +600°С).
Ртуть | Hg | -38,9°С | +356,7°С |
Литий | Li | +18°С | +1342°С |
Цезий | Cs | +28,4°С | +667,5°С |
Калий | K | +63,6°С | +759°С |
Натрий | Na | +97,8°С | +883°С |
Индий | In | +156,6°С | +2072°С |
Олово | Sn | +232°С | +2600°С |
Висмут | Bi | +271,4°С | +1564°С |
Таллий | Tl | +304°С | +1473°С |
Кадмий | Cd | +321°С | +767°С |
Свинец | Pb | +327°С | +1750°С |
Цинк | Zn | +420°С | +907°С |
Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов, диапазон фазового перехода от +600 до 1600°С.
МЕТАЛЛЫ | |||
Сурьма | Sb | +630,6°С | +1587°С |
Магний | Mg | +650°С | +1100°С |
Алюминий | Al | +660°С | +2519°С |
Барий | Ba | +727°С | +1897°С |
Кальций | Ca | +842°С | +1484°С |
Серебро | Ag | +960°С | +2180°С |
Золото | Au | +1063°С | +2660°С |
Марганец | Mn | +1246°С | +2061°С |
Медь | Cu | +1083°С | +2580°С |
Бериллий | Be | +1287°С | +2471°С |
Кремний | Si | +1415°С | +2350°С |
Никель | Ni | +1455°С | +2913°С |
Кобальт | Co | +1495°С | +2927°С |
Железо | Fe | +1539°С | +900°С |
СПЛАВЫ | |||
Дюрали | Al+ Mg+Cu+Mn | +650°С | |
Латуни | сплавы на основе меди и цинка | +950…1050°С | |
Нейзильбер | Cu+Zn+Ni | +1100°С | |
Чугун | углеродистое железо | +1100…1300°С | |
Углеродистые стали | +1300…1500°С | ||
Нихром | Fe+Ni+Cr+Si+Mn+Al | +1400°С | |
Инвар | Fe+Ni | +1425°С | |
Фехраль | Fe+Cr+Al+Mn+Si | +1460°С |
Как отремонтировать глушитель без сварки
Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов (свыше +1600°С).
Титан | Ti | +1680°С | +3300°С |
Карбид титана | TiC | +3150°С | – |
Торий | Th | +1750°С | +4788°С |
Платина | Pt | +1769,3°С | +3825°С |
Хром | Cr | +1907°С | +2671°С |
Карбиды хрома | Cr23C6 | +1660°С | – |
Cr7С3 | +1780°С | – | |
Cr3С2 | +1890°С | – | |
Цирконий | Zr | +1855°С | +4409°С |
Карбид циркония | ZrC | +3530°С | – |
Ванадий | V | +1910°С | +3407°С |
Родий | Rh | +1964°С | +3695°С |
Иридий | Ir | +2447°С | +4428°С |
Ниобий | Nb | +2477°С | +4744°С |
Молибден | Mo | +2623°С | +4639°С |
Тантал | Ta | +3017°С | +5458°С |
Вольфрам | W | +3420°С | +5555°С |
При какой температуре плавится металл Ссылка на основную публикацию
Температура плавления металлов: таблица по возрастанию в градусах, самая высокая температура плавления
Металлы и сплавы — это незаменимая основа для литейного и ювелирного производства, ковки и многих других сфер. Что бы ни делал человек из металла (какой бы это ни был процесс), для правильной работы ему нужно знать, при какой температуре плавится тот или иной металл. Мы подробно рассмотрим процесс плавления, его отличие от кипения, а также сравним температуры в таблицах.
Таблица температур плавления
Узнать какая нужна температура для плавления металлов, поможет таблица по возрастанию температурных показателей.
Литий | +18°С |
Калий | +63,6°С |
Индий | +156,6°С |
Олово | +232°С |
Таллий | +304°С |
Кадмий | +321°С |
Свинец | +327°С |
Цинк | +420°С |
Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов.
Магний | +650°С |
Алюминий | +660°С |
Барий | +727°С |
Серебро | +960°С |
Золото | +1063°С |
Марганец | +1246°С |
Медь | +1083°С |
Никель | +1455°С |
Кобальт | +1495°С |
Железо | +1539°С |
Дюрали | +650°С |
Латуни | +950…1050°С |
Чугун | +1100…1300°С |
Углеродистые стали | +1300…1500°С |
Нихром | +1400°С |
Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов.
Титан | +1680°С |
Платина | +1769,3°С |
Хром | +1907°С |
Цирконий | +1855°С |
Ванадий | +1910°С |
Иридий | +2447°С |
Молибден | +2623°С |
Тантал | +3017°С |
Вольфрам | +3420°С |
Что такое температура плавления
Каждый металл имеет неповторимые свойства, и в этот список входит температура плавления. При плавке металл уходит из одного состояния в другое, а именно из твёрдого превращается в жидкое.
Чтобы сплавить металл, нужно приблизить к нему тепло и нагреть до необходимой температуры – этот процесс и называется температурой плавления. В момент, когда температура доходит до нужной отметки, он ещё может пребывать в твёрдом состоянии.
Если продолжать воздействие – металл или сплав начнет плавиться.
Интересное: Как заварить чугун электросваркой в домашних условиях
Плавление и кипение – это не одно и то же. Точкой перехода вещества из твердого состояния в жидкое, зачастую называют температуру плавления металла. В расплавленном состоянии у молекул нет определенного расположения, но притяжение сдерживает их рядом, в жидком виде кристаллическое тело оставляет объем, но форма теряется.
При кипении объем теряется, молекулы между собой очень слабо взаимодействуют, движутся хаотично в разных направлениях, совершают отрыв от поверхности. Температура кипения – это процесс, при котором давление металлического пара приравнивается к давлению внешней среды.
Для того, чтобы упростить разницу между критическими точками нагрева мы подготовили для вас простую таблицу:
Физическое состояние | Сплав переходит в расплав, разрушается кристаллическая структура, проходит зернистость | Переходит в состояние газа, некоторые молекулы могут улетать за пределы расплава |
Фазовый переход | Равновесие между твердым состоянием и жидким | Равновесие давления между парами металла и воздухом |
Влияние внешнего давления | Нет изменений | Изменения есть, температура уменьшается при разряжении |
При какой температуре плавится
Металлические элементы, какими бы они ни были — плавятся почти один в один. Этот процесс происходит при нагреве. Оно может быть, как внешнее, так и внутреннее.
Первое проходит в печи, а для второго используют резистивный нагрев, пропуская электричество либо индукционный нагрев. Воздействие выходит практически схожее. При нагреве, увеличивается амплитуда колебаний молекул.
Образуются структурные дефекты решётки, которые сопровождаются обрывом межатомных связей. Под процессом разрушения решётки и скоплением подобных дефектов и подразумевается плавление.
У разных веществ разные температуры плавления. Теоретически, металлы делят на:
- Легкоплавкие – достаточно температуры до 600 градусов Цельсия, для получения жидкого вещества.
- Среднеплавкие – необходима температура от 600 до 1600 ⁰С.
- Тугоплавкие – это металлы, для плавления которых требуется температура выше 1600 ⁰С.
Интересное: Виды дефектов сварных швов и соединений — их устранение
Плавление железа
Температура плавления железа достаточно высока. Для технически чистого элемента требуется температура +1539 °C. В этом веществе имеется примесь — сера, а извлечь ее допустимо лишь в жидком виде.
Без примесей чистый материал можно получить при электролизе солей металла.
Плавление чугуна
Чугун – это лучший металл для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий показатель усадки дают возможность эффективнее пользоваться им при литье. Далее рассмотрим показатели температуры кипения чугуна в градусах Цельсия:
- Серый — температурный режим может достигать отметки 1260 градусов. При заливке в формы температура может подниматься до 1400.
- Белый — температура достигает отметки 1350 градусов. В формы заливается при показателе 1450.
Важно! Показатели плавления такого металла, как чугун – на 400 градусов ниже, по сравнению со сталью. Это значительно снижает затраты энергии при обработке.
Плавление стали
Плавления стали при температуре 1400 °C
Сталь — это сплав железа с примесью углерода. Её главная польза — прочность, поскольку это вещество способно на протяжении длительного времени сохранять свой объем и форму. Связано это с тем, что частицы находятся в положении равновесия. Таким образом силы притяжения и отталкивания между частицами равны.
Справка! Сталь плавится при 1400 °C.
Плавление алюминия и меди
Температура плавления алюминия равна 660 градусам, это означает то, что расплавить его можно в домашних условиях.
Чистой меди – 1083 градусов, а для медных сплавов составляет от 930 до 1140 градусов.
От чего зависит температура плавления
Для разных веществ температура, при которой полностью перестраивается структура до жидкого состояния – разная. Если взять во внимание металлы и сплавы, то стоит подметить такие моменты:
- В чистом виде не часто можно встретить металлы. Температура напрямую зависит от его состава. В качестве примера укажем олово, к которому могут добавлять другие вещества (например, серебро). Примеси позволяют делать материал более либо менее устойчивым к нагреву.
- Бывают сплавы, которые благодаря своему химическому составу могут переходить в жидкое состояние при температуре свыше ста пятидесяти градусов. Также бывают сплавы, которые могут “держаться” при нагреве до трех тысяч градусов и выше. С учетом того, что при изменении кристаллической решетки меняются физические и механические качества, а условия эксплуатации могут определяться температурой нагрева. Стоит отметить, что точка плавления металла — важное свойство вещества. Пример этому – авиационное оборудование.
Интересное: Основные виды сварки металлов
Термообработка, в большинстве случаев, почти не изменяет устойчивость к нагреву. Единственно верным способом увеличения устойчивости к нагреванию можно назвать внесение изменений в химический состав, для этого и проводят легирование стали.
Вольфрам – самый тугоплавкий металл, 3422 °C (6170 °F).
Твердый, тугоплавкий, достаточно тяжелый материал светло-серого цвета, который имеет металлический блеск. Механической обработке поддается с трудом. При комнатной температуре достаточно хрупок и ломается. Ломкость металла связана с загрязнением примесями углерода и кислорода.
Примечание! Технически, чистый металл при температуре выше 400 °C становится очень пластичным. Демонстрирует химическую инертность, неохотно вступает в реакции с другими элементами. В природе встречается в виде таких сложных минералов, как: гюбнерит, шеелит, ферберит и вольфрамит.
Вольфрам можно получить из руды, благодаря сложным химическим переработкам, в качестве порошка. Используя прессование и спекание, из него создают детали обычной формы и бруски.
Вольфрам — крайне стойкий элемент к любым температурным воздействиям. По этой причине размягчить вольфрам не могли более сотни лет. Не существовало такой печи, которая смогла бы нагреться до нескольких тысяч градусов по Цельсию.
Ученым удалось доказать, что это самый тугоплавкий металл.
Хотя бытует мнение, что сиборгий, по некоторым теоретическим данным, имеет большую тугоплавкость, но это лишь предположение, поскольку он является радиоактивным элементом и у него небольшой срок существования.
Температура плавления стали
Стальные соединения изготавливаются из железа и углерода. Добиться прочности, твердости и других требуемых качеств позволяет добавление в сплав никеля, хрома, молибдена и других дополнительных компонентов. Одним из таких качеств является температура плавления стали, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое.
Общее описание процесса
Чтобы понять, при какой температуре плавится сталь, нужно рассмотреть этот процесс более детально. Расплавление происходит при нагревании. Нагревать материал можно как снаружи, так и изнутри.
Внешний нагрев осуществляется в термических печах. Для того чтобы расплавить сплав изнутри, используется резистивный нагрев.
Принцип резистивного нагрева заключается в электросопротивлении, которым обладают любые материалы.
Вне зависимости от типа термического воздействия, в материалах происходят одинаковые изменения. За счет нагревания тепловые колебания молекул усиливаются, что приводит к структурным дефектам решетки. Такие изменения способствуют разрыву межатомных связей, в результате чего сплав переходит в жидкое состояние.
Типы сплавов
В зависимости от интенсивности нагрева, требуемого для перехода металла из одного состояния в другое, сплавы разделяют на несколько видов.
Легкоплавкие. Их обработка может производиться даже без специального оборудования. Температура плавления стали в градусах Цельсия составляет 600. К числу легкоплавких металлов относятся свинец, олово и цинк.
Особого внимания заслуживает ртуть, способная переходить в жидкое состояние при -39°С.
Среднеплавкие. Температура плавления сталей находится в пределах 600°С-1600°С. К этой категории относятся алюминий, медь, олово, некоторые виды нержавейки и различные сплавы с небольшим содержанием хрома. Среднеплавкие соединения получили наибольшее распространение в промышленности и в быту.
Тугоплавкие. Соединения, входящие в данную категорию, способны переходить из твердого состояния в жидкое при нагреве свыше 1600°С. Это высоколегированные металлы, в состав которых входят вольфрам, титан и хром. Благодаря этим добавкам металл приобретает повышенную прочность, устойчивость к коррозии и химическим воздействиям. В частности, к тугоплавким сплавам относится нержавейка.
Технические характеристики легированной стали ШХ15
При наиболее низких температурных показателях плавятся щелочные металлы. Соответственно, для перехода в жидкое состояние не щелочных металлов температурный диапазон значительно увеличивается.
Градус кипения
В процессе нагрева материала важно не достичь его кипения, при котором из жидкого состояния он переходит в газообразное. Поэтому градус кипения является не менее важным технологическим показателем.
Градус кипения, как правило, вдвое выше градуса, при котором материалы расплавляются, и определяется при нормальном атмосферном давлении. При увеличении давления увеличивается и интенсивность нагрева. При уменьшении давления показатели уменьшаются.
Особенности углеродистой стали
Углеродистые соединения являются основным видом продукции, производимой на металлургических комбинатах. Кроме железа, в их состав входит углерод. Его концентрация не должна превышать 2,14%. В них присутствует небольшое количество примесей и легирующих компонентов в виде марганца, кремния и магния. Такие добавки позволяют улучшить их физические и химические показатели.
В зависимости от концентрации углерода углеродистые соединения делятся на следующие виды:
- низкоуглеродистые (содержание углерода не превышает 0,29%);
- среднеуглеродистые (до 0,6%);
- высокоуглеродистые (более 0,6%).
Углеродистые соединения используются в различных промышленных отраслях. В зависимости от сферы применения в них добавляются легирующие компоненты, позволяющие достичь специфических свойств, включая жаропрочность, коррозийную стойкость и пр. По этим критериям они подразделяются на следующие категории:
- конструкционные;
- инструментальные.
В инструментальные добавляется марганец, позволяющий значительно повысить качество металла. Температура плавления углеродистой стали составляет 1535°С.
Особенности легированной стали
В состав легированных соединений вводят дополнительные компоненты. В определенных количествах они придают им требуемые свойства. В зависимости от концентрации таких элементов они подразделяются на следующие виды:
- низколегированные (с концентрацией 2,5%);
- среднелегированные (до 10%);
- высоколегированные (свыше 10%).
За счет добавления дополнительных компонентов удается повысить прочность, коррозийную стойкость и улучшить другие характеристики. В качестве легирующих компонентов выступают хром, медь, никель, азот, ванадий и пр. Температура плавления легированной стали колеблется в пределах 1400°С-1480°С.
Технические характеристики стали 9ХС
Особенности нержавейки
Нержавейка – это сплав, устойчивый к сухой и влажной коррозии, и невосприимчивый к воздействию агрессивных веществ. Чтобы придать ему необходимые свойства, в металл добавляются различные легирующие компоненты в виде хрома, никеля, магния, титана и пр. Температура плавления нержавеющей стали по Цельсию составляет 1350-1500 градусов.
Ниже представлена таблица, в которой указана температура плавления жаропрочной нержавеющей стали наиболее популярных марок.
Марка | t°С |
12Х18Г9 | 1410 |
Х20Н35 | 1410 |
12Х18Н9Т | 1425 |
Х25С3Н | 1480 |
15Х25Т | 1500 |
Особенности инструментальной стали
Этот материал предназначен исключительно для изготовления инструментов. От конструкционного он отличается увеличенным содержанием углерода в количестве более 0,7%. Такие соединения в основном используются в машиностроении для обработки чермета и цветмета. Температура плавления нержавеющей стали, предназначенной для изготовления инструмента, составляет 1500°С.
Заключение
Температура плавления стали находится в промежутке 1350°С-1600°С. Но существуют и особо тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам и пр.), способные переходить из одного состояния в другое только при нагреве свыше 2000°С. Данный показатель определяется наличием легирующих элементов и примесей, определяющих их способность к расплавлению.
Температура плавления стали
Температура плавления (температура ликвидус) — это температура, при которой вещество переходит в полностью жидкое состояние. Температура затвердевания (температуру солидус) — это такая температура, при которой вещество переходит полностью в твердое состояние.
Для чистых веществ (элементов) температуры ликвидус и солидус совпадают. Для растворов же, к которым в том числе относятся сталь и чугун, существует, так называемый, температурный интервал кристаллизации, в котором одновременно сосуществуют твердая и жидкая фазы.
Расчет температуры плавления и затвердевания стали
Ромашкин А.Н.
- Температуры плавления и затвердевания стали зависят от ее состава.
- Как правило при расчете TL и TS делают допущение об аддитивности влиянии легирующих и примесей на значения этих величин. При этом изменение температуры плавления/затвердевания, обусловленное наличием того или иного элемента, рассчитывают как
- TL/S сплав = Т0 — ΣdTL/Siгде TL/Sсплав — температура ликвидус / солидус сплава, К; Т0 — температура плавления растворителя (железа), К; dTL/Si — снижение TL и TS, обусловленное наличием в металле i-го элемента, К.
- Влияние различных элементов на температуру плавления и кристаллизации определяют по диаграммам состояния для каждого элемента i (использованные диаграммы состояния приведены ниже в таблице).
При этом допускали, что их влияние на рассматриваемые величины носит линейный характер, т.е.
- dTL/Si = kL/Si·[i]где kL/Si — средний коэффициент наклона линии ликвидус (солидус) на диаграмме состояния в определенном интервале концентраций рассматриваемого элемента, К/%; [i] — концентрация элемента i, % масс.
- kL/Si = {(TL/Si)а — (TL/Si)b}/{[i]а — [i]b}где (TL/Si)а и (TL/Si)b — температура ликвидус/солидус расплава при концентрации элементаi в нем равной [i]а и [i]b, соответственно, К.
- Конкретные значения kL/S i были получены следующим образом:
kLC = (1539 — 15…)/… = 64 kSC = (1539 — …)/… = 356 при С < 0,1
kLC = (1539 — 15…)/… = 64 kSC = (1539 — …)/… = 141 при С > 0,1
- kLCr = (1539 — 1515)/22 = 1,09 kSCr = (1539 — 1505)/22 = 1,54
- kLNi = (1539 — 1449)/50 = 1,80 kSNi = (1539 — 1436)/50 = 2,06
- kLMo = (1539 — 1460)/33 = 2,39 kSMo = (1539 — 1450)/33 = 2,70
- kLV = (1539 — 1475)/30 = 2,13 kSV = (1539 — 1468)/30 = 2,37
- kLS = (1539 — 1530)/0,20 = 45,0 kSS = (1539 — 1365)/0,20 = 870
- если содержание серы более 0,2, то dTSS= 1539 — 1365 = 174
- kLP = (1539 — 1400)/5 = 27,8 kSP = (1539 — 1050)/5 = 97,8
- Влияние углерода на температуры ликвидус и солидус целесообразно рассчитывать с учетом изображенных на рисунке ниже рагрессионных выражений.
-
- Диаграмма состояния железо-углерод (при использовании прось ставить ссылку на сайт steelcast.ru)
- Таким образом, температура ликвидус и солидус рассчитываются как
- TL = T0 — (dTLC + 1,09·[Cr] + 1,80·[Ni] + 2,39·[Мо] + 2,13·[V] + 45·[S] + 27,8·[P])
- TS = T0 — (dTSC + 1,54·[Cr] + 2,06·[Ni] + 2,70·[Мо] + 2,37·[V] + 870·[S] + 97,8·[P])
- Следует подчеркнуть, что величина TS не представляет практического интереса, так как в процессе кристаллизации происходит значимое перераспределение элементов между жидкой и твердой фазой, в результате которого жидкость обогащается ликватами, прежде всего углеродом, серой и фосфором (чем определяется способность элементов к ликвации Вы можете узнать здесь), что, естественно, снижает температуру затвердевания, поэтому температура, при которой разливаемый металл полностью затвердевает в большинстве случае составляет величину гораздо меньшую, чем расчетное значение TS.
Ниже приведена работа А. Н. Смирнова, более подробно рассматривающая вопрос определения температуры плавления и затвердевания стали
А. Н. Смирнов, Л. Неделькович, М. Джурджевич, Т. В. Чернобаева и 3. Оданович
Донецкий государственный технический университет (Украина) и Белградский университет (Югославия)
Точная оперативная информация о температуре ликвидус стали имеет большое практическое значение, так как в зависимости от имеющегося в цехе оборудования для внепечной обработки именно эта температура определяет температурный режим от выпуска до окончания разливки плавки, особенно на МНЛЗ.
Это дает возможность работать с оптимально низкой степенью перегрева и обеспечивает мелкозернистую литую структуру и высокое качество заготовки. Известно, что измерение температуры ликвидус (TL) не вызывает значительных затруднений.
Однако заданный химический состав стали достигается к концу внепечной обработки перед началом непрерывной разливки, что существенно ограничивает возможности использования экспериментальных данных (записи кривой охлаждения).
Поэтому для оперативного определения значения TL целесообразно проводить расчеты с использованием данных о химическом составе стали.
Между тем, выбор какого-либо универсального метода расчета температуры ликвидус на практике вызывает значительные затруднения, так как рекомендации специалистов, занимающихся решением этой проблемы, довольно противоречивы. Сравнение точности и надежности методов расчета TL для стали различных марок выполнено в настоящей работе.
Большая часть известных методов расчета температуры ликвидус углеродистой и легированной стали основана на полиномных выражениях, которые в обобщенном виде могут быть представлены следующим образом [1…9]:
TL = Тплав Fe — (Σ(a0 + a1∙[i] + a2∙[i]2))
где Tплав Fe — температура плавления чистого железа (в соответствии с большей частью известных рекомендаций TплавFе= 1539 °С); а0 — коэффициент приведения температуры плавления чистого железа (вводится в случае принятия значения температуры плавления железа отличного от приведенного выше); а1 и а2 — коэффициенты значимости 1-го и 2-го порядка для соответствующего элемента i, содержащегося в стали данной марки; [i] — содержание элемента i в стали данной марки, %.
В качестве основы выражений такого типа принята гипотеза о том, что каждый из химических элементов влияет на снижение температуры ликвидус железа независимо один от другого. При этом результирующее влияние всех растворенных в стали элементов на снижение температуры ликвидус может быть получено на основании двойных диаграмм состояния Fe-Хi,.
Поэтому эти выражения различаются только тем, каким образом аппроксимируется линия ликвидус в бинарной диаграмме со стороны железа. В простейшем случае она заменяется касательной прямой на линию ликвидус со стороны железа, а выражение для температуры ликвидус упрощается до полинома первого порядка. Подобные выражения, как видно из табл. 1 [1…
4], различаются по значениям коэффициентов аi и принятой температуре плавления железа.
Влияние изменения концентрации каждого химического элемента на снижение температуры плавления железа может быть также учтено описанием линии ликвидус с помощью полинома второго порядка или вписыванием ломаной линии в кривую значений температуры ликвидус.
Причем неодинаковый наклон звеньев ломаной линии в концентрационных промежутках учитывает влияние собственной концентрации каждого элемента на снижение температуры плавления железа. В качестве иллюстрации в табл. 1 приведены данные работ [5…
7], где учитывается только концентрационная зависимость влияния углерода, и работ [8, 9], где эта концентрационная зависимость выражается и для ряда других элементов в стали. Приведенными в табл.
1 данными можно пользоваться только в тех концентрационных областях, в которых при затвердевании образуется твердый раствор.
Однако средние квадратичные отклонения σ (табл.
1) не могут служить обобщенным критерием оценки достоверности и применимости каждой из формул, так как специалисты обычно используют несколько отличные в техническом исполнении методы и приборы для измерения температуры ликвидус стали.
По-видимому, такая оценка должна проводиться для данных, которые получены в примерно одинаковых условиях при достаточно надежном измерении температуры ликвидус применительно к большому массиву марок стали.
В настоящей работе были отобраны результаты измерений температуры ликвидус для стали 87 марок по данным А.А. Howe [10]. Химический состав стали некоторые из этих марок и результаты измерений температуры ликвидус приведены в табл. 2.
При этом для стали состава 1-10 температуру ликвидус определяли путем термического анализа образца массой 400 г, для стали состава 11-20 — одновременно путем термического и дифференциального термического анализа образца массой 40 г.
Было определено, что расчетные значения температуры ликвидус в большей части случаев превышают экспериментальные данные. С уменьшением температуры ликвидус, которое соответствует росту содержания углерода и легирующих элементов в стали, величина разброса расширяется.
Результаты оценки достоверности расчетов температуры ликвидус (табл. 3) показывают, что использование предложенных формул не отличается высокой степенью точности, так как даже наиболее точные из результатов расчетов имеют среднее квадратичное отклонение около ±2,5, соответствующее полосе разброса ±7,5 °С.
По мнению авторов настоящей статьи, такое отклонение расчетных данных от экспериментальных может быть вызвано в основном тем, что эти формулы не учитывают характер взаимодействия отдельных химических элементов при определенной их концентрации. Из работ [11-13] известно, что, если при наличии какого-либо другого элемента или с увеличением собственной концентрации коэффициент активности данного элемента изменяется, то и его влияние на TL стали должно соответственно изменяться.
Возрастание влияния коэффициента активности углерода с повышением его концентрации в стали проиллюстрировано на примере стали, содержащей 1,48 % С (табл. 4).
При таком увеличении коэффициента активности углерода его действительное влияние на снижение температуры ликвидус, определенное экспериментально, оказывается значительно большим, чем это можно принять по результатам расчетов по известным формулам.
Поэтому в большей части случаев расчетные значения TL заметно превышают экспериментальные. В противном случае, если сталь содержит элемент, снижающий активность углерода, и соответственно углерод уменьшает активность этого элемента в стали (Б, табл.
4, марганцовистая сталь), действительное снижение температуры ликвидус, определенное экспериментально, меньше, чем рассчитайное по формулам, не учитывающим взаимное влияние активностей, что выражается в положительном отклонении разностей между экспериментальными и расчетными значениями TL.
Более сложный пример (В, табл. 4) для стали с высоким содержанием никеля иллюстрирует большие отклонения разностей между экспериментальными и расчетными значениями TL в положительную сторону практически по всем формулам, что, по-видимому, является следствием неадекватного описания линии ликвидус в бинарной системе Fe-Ni.
Следует отметить, что рассмотрены (табл. 4) только двухкомпонентные и трехкомпонентные системы, причину отклонения расчетных экспериментальных значений TL в которых можно достаточно аргументированно объяснить.
Наибольший разброс отклонений значений TL наблюдается для легированной стали многокомпонентного состава, где взаимодействие между элементами более сложное.
Следовательно, для стали такого состава отклонения, вызванные неадекватным учетом эффектов таких взаимодействий на снижение температуры ликвидус, менее предсказуемы.
Как видно из табл. 2, для группы углеродистой и низколегированной стали dTср имеет отрицательное значение и по абсолютному значению в каждом отдельном случае большеdTmin. В более 90 % случаев значения dTmin распределены по нормальному закону в интервале ± 2 °С около фактической температуры ликвидус, а около 70 % — в интервале ± 1 °С.
Таблица 1. Коэффициенты a0, а1 и a2 характеризующие степень влияния содержащихся в стали химических элементов на снижение температуры ликвидус*
Источник | а0 | Коэффициенты а1 и а2 (знаменатель по данным работ [7] и [9]) | σ** | ||||||||||||||||
С | Si | Mn | S | Р | Cr | Ni | Al | Mo | V | Cu | H2 | O2 | Nb | Co | Ti | W | |||
[1] | 3 | 7 | 7,6 | 4,9 | 38 | 34 | 1,3 | 3,1 | 3,6 | — | — | 4,7 | — | — | — | — | — | — | + 4 |
[2] | 3 | 78 | 7,6 | 4,9 | 30 | 34 | 1,3 | 3,1 | 3,6 | 2,0 | 2,0 | 5,0 | — | — | — | — | 18 | — | ±12 |
[3] | 67 | 7,8 | 5,0 | 25 | 30 | 1,5 | 4,0 | — | 2,0 | 2,0 | 5,0 | 90 | 69 | 8 | 2,3 | — | — | ±8 | |
[4] | 5 | 80 | 14,0 | 4,0 | 35 | 35 | 35,0 | 1,4 | 2,6 | 3,4 | 1,2 | — | — | — | — | — | — | — | ±10 |
[5] | 1 | 55/80 | 13,0 | 4,8 | 30 | 30 | 1,5 | 4,3 | — | — | — | 4,7 | — | — | — | — | — | — | ±10 |
[6] | 65 (С1,0) 75 (С>2,0) | 8,0 | 5,0 | 25 | 30 | 1,5 | 4,0 | 2,0 | 2,0 | 5,0 | 90 | 80 | ±10 | ||||||
[7] | 5 | -48/64 | 14,3 | 4,8 | 37 | 32 | 1,0 | 4,7 | — | 2,6 | — | 5,3 | — | — | — | 1,5 | 10 | 0,2 | ±12 |
[8] | 2 | 2,5 (С |
Температура кипения и плавления металлов. Температура плавления стали
Температура кипения и плавления металлов
В таблице представлена температура плавления металлов tпл, их температура кипения tк при атмосферном давлении, плотность металлов ρ при 25°С и теплопроводность λ при 27°С.
Температура плавления металлов, а также их плотность и теплопроводность приведены в таблице для следующих металлов: актиний Ac, серебро Ag, алюминий Al, золото Au, барий Ba, берилий Be, висмут Bi, кальций Ca, кадмий Cd, кобальт Co, хром Cr, цезий Cs, медь Cu, железо Fe, галлий Ga, гафний Hf, ртуть Hg, индий In, иридий Ir, калий K, литий Li, магний Mg, марганец Mn, молибден Mo, натрий Na, ниобий Nb, никель Ni, нептуний Np, осмий Os, протактиний Pa, свинец Pb, палладий Pd, полоний Po, платина Pt, плутоний Pu, радий Ra, рубидий Pb, рений Re, родий Rh, рутений Ru, сурьма Sb, олово Sn, стронций Sr, тантал Ta, технеций Tc, торий Th, титан Ti, таллий Tl, уран U, ванадий V, вольфрам W, цинк Zn, цирконий Zr.
По данным таблицы видно, что температура плавления металлов изменяется в широком диапазоне (от -38,83°С у ртути до 3422°С у вольфрама). Низкой положительной температурой плавления обладают такие металлы, как литий (18,05°С), цезий (28,44°С), рубидий (39,3°С) и другие щелочные металлы.
Наиболее тугоплавкими являются следующие металлы: гафний, иридий, молибден, ниобий, осмий, рений, рутений, тантал, технеций, вольфрам. Температура плавления этих металлов выше 2000°С.
Приведем примеры температуры плавления металлов, широко применяемых в промышленности и в быту:
- температура плавления алюминия 660,32 °С;
- температура плавления меди 1084,62 °С;
- температура плавления свинца 327,46 °С;
- температура плавления золота 1064,18 °С;
- температура плавления олова 231,93 °С;
- температура плавления серебра 961,78 °С;
- температура плавления ртути -38,83°С.
Максимальной температурой кипения из металлов, представленных в таблице, обладает рений Re — она составляет 5596°С. Также высокими температурами кипения обладают металлы, относящиеся к группе с высокой температурой плавления.
Плотность металлов в таблице находится в диапазоне от 0,534 до 22,59 г/см3, то есть самым легким металлом является литий, а самым тяжелым металлом осмий. Следует отметить, что осмий имеет плотность большую, чем плотность урана и даже плутония при комнатной температуре.
Теплопроводность металлов в таблице изменяется от 6,3 до 427 Вт/(м·град), таким образом хуже всего проводит тепло такой металл, как нептуний, а лучшим теплопроводящим металлом является серебро.
Температура плавления стали
Представлена таблица значений температуры плавления стали распространенных марок. Рассмотрены стали для отливок, конструкционные, жаропрочные, углеродистые и другие классы сталей.
Температура плавления стали находится в диапазоне от 1350 до 1535°С. Стали в таблице расположены в порядке возрастания их температуры плавления.
Стали для отливок Х28Л и Х34Л | 1350 | Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9Т | 1425 |
Сталь конструкционная 12Х18Н10Т | 1400 | Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н13 | 1440 |
Жаропрочная высоколегированная 20Х20Н14С2 | 1400 | Жаропрочная высоколегированная 40Х10С2М | 1480 |
Жаропрочная высоколегированная 20Х25Н20С2 | 1400 | Сталь коррозионно-стойкая Х25С3Н (ЭИ261) | 1480 |
Сталь конструкционная 12Х18Н10 | 1410 | Жаропрочная высоколегированная 40Х9С2 (ЭСХ8) | 1480 |
Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9 | 1410 | Коррозионно-стойкие обыкновенные 95Х18…15Х28 | 1500 |
Сталь жаропрочная Х20Н35 | 1410 | Коррозионно-стойкая жаропрочная 15Х25Т (ЭИ439) | 1500 |
Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н18 (ЭИ417) | 1415 | Углеродистые стали | 1535 |
Источники: