Температура плавления металлов¶

Температура плавления металла — температура фазового перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа). Для чистых металлов этот переход происходит строго при одной температуре, в отличие от аморфных тел и большинства сплавов, которые плавятся в интервале температур. Значения температур плавления варьируются от −38,83 °C у ртути до около 3422 °C у вольфрама.

¶Физическая природа процесса

Плавление — эндотермический процесс: для разрыва межатомных связей в кристаллической решётке требуется подвод энергии. Температура плавления определяется прочностью этих связей, которая, в свою очередь, зависит от типа химической связи (металлической), радиуса атома, степени ионности и электронной конфигурации.

При достижении температуры плавления кинетическая энергия атомов становится достаточной для преодоления потенциального барьера упаковки, и дальний порядок в структуре разрушается. Скрытая теплота плавления — это энергия, идущая на увеличение потенциальной энергии системы без повышения температуры.

¶Температуры плавления основных металлов

Наиболее тугоплавкими являются вольфрам (3422 °C), рений (3186 °C), тантал (3017 °C), осмий (3033 °C) и молибден (2623 °C). Легкоплавкие — цезий, франций, ртуть, галлий и кадмий.

¶Температура плавления сплавов

Сплавы, в отличие от чистых металлов, как правило, плавятся не при одной температуре, а в интервале между так называемой солидусной (начало плавления) и ликвидусной (полное расплавление) температурами. Это связано с тем, что компоненты образуют твёрдые растворы и эвтектики.

Эвтектические сплавы — исключение: они плавятся при одной температуре, как правило, значительно более низкой, чем у каждого из компонентов. Пример — свинцово-оловянный припой (63 % Sn, 37 % Pb) плавится при 183 °C, вольфрамовая эвтектика W—Cu — при около 3420 °C (практически как чистый вольфрам).

Примеры температур плавления распространённых сплавов:

• Сталь углеродистая (0,45 % C) — около 1425–1500 °C.
• Чугун (4 % C) — около 1150–1200 °C.
• Латунь (Cu—Zn) — 900–940 °C.
• Бронза оловянная (Cu—Sn) — 900–1000 °C.
• Припой ПОС-61 — 183–190 °C.
• Галлий-индий-олово (Galinstan) — −19 °C (жидкий при комнатной температуре).

¶Способы определения температуры плавления

¶Лабораторные методы

• Дифференциальный сканирующий калориметрический анализ (ДСК) — измеряется тепловой поток при нагреве образца; плавление проявляется эндотермическим пиком.
• Анализ термогравиметрии — часто сочетается с ДСК.
• Метод кривых охлаждения — фиксируется плато на графике температура—время, соответствующее кристаллизации.
• Термоэлектрический метод — с помощью термопары, приваренной к образцу.

¶Промышленные методы

Для измерения температуры расплавленных металлов в производстве применяют:

• Пирометры (оптические и радиационные) — бесконтактное измерение по интенсивности теплового излучения.
• Термопары — контактный метод, чаще всего хромель-алюмель (тип K) или платинородий-платина (тип S), способные работать до 1700 °C и выше.
• Пиропланги — термопара в защитном корпусе, погружаемая непосредственно в ванну расплава.

¶Зависимость от давления

Температура плавления зависит от давления, но слабо: коэффициент dT/dP для большинства металлов положителен и невелик. При повышении давления температура плавления, как правило, немного возрастает (исключение — висмут и галлий, у которых она снижается). В вакууме температура плавления практически не меняется, однако существенно снижается температура кипения, что важно для вакуумной плавки.

¶Практическое значение

Знание температур плавления определяет выбор технологии литейного производства, сварки, пайки и наплавки. Металлы с низкой температурой плавления используются в противопожарных системах (сплав Вуда — 70 °C), легкоплавких предохранителях и термостатах. Тугоплавкие металлы применяются в ракетных двигателях, лампах накаливания, электродуговых сварочных аппаратах и ядерной технике.

¶Историческая справка

Первые количественные данные о температурах плавления металлов получил шведский химик Йёран Якоб Берцелиус в начале XIX века, использовавший платиновый термометр сопротивления. В России методы измерения высоких температур развивались в работах Н. Н. Бекетова, В. Э. Грум-Гржимайло и Д. К. Чернова, внедрившего пирометрию в металлургическую практику в конце XIX века.