Температура плавления металлов и материалов¶

Температура плавления — это физическая величина, показывающая температуру, при которой твёрдое кристаллическое вещество переходит в жидкое состояние при нормальном атмосферном давлении. Для чистых кристаллических веществ (металлов, некоторых простых соединений) плавление происходит при строго определённой температуре, тогда как аморфные материалы (стекло, большинство пластиков) размягчаются в некотором интервале температур. Температура плавления — важнейшая характеристика материалов в металлургии, литейном производстве, машиностроении и строительстве.

¶Физическая природа плавления

При нагревании твёрдого тела возрастает энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решётке. Когда энергия колебаний становится достаточной для разрушения устойчивых межатомных связей, решётка теряет упорядоченность и вещество переходит в жидкую фазу. Температура, при которой это происходит, называется температурой плавления; обратный процесс — кристаллизация (затвердевание) — протекает при той же температуре для чистых веществ.

Пока идёт плавление, температура вещества не меняется: вся подводимая теплота расходуется на разрушение кристаллической решётки (скрытая теплота плавления). Температура плавления зависит от давления: для большинства веществ она повышается с ростом давления, но у воды и некоторых других веществ — понижается.

¶Температуры плавления металлов

Металлы имеют кристаллическое строение, поэтому плавятся при фиксированных температурах. Ниже приведены значения при нормальном давлении.

Диапазон огромен: от легкоплавкой ртути до тугоплавких титана и вольфрама (3422 °C). Чем прочнее межатомные связи в решётке, тем выше температура плавления.

¶Алюминий, медь, железо

Алюминий плавится при 660 °C — относительно невысокая температура, что облегчает литьё и сварку. Медь плавится при 1085 °C, сочетая высокую тепло- и электропроводность с умеренной тугоплавкостью. Железо плавится при 1538 °C; именно на этой основе построена вся чёрная металлургия.

¶Золото и серебро

Золото (1064 °C) и серебро (962 °C) — благородные металлы с умеренными температурами плавления, что издавна использовалось в ювелирном деле, чеканке монет и пайке. Сплавы золота (например, с медью или серебром) плавятся при более низких температурах, чем чистое золото.

¶Свинец и олово

Свинец (327 °C) и олово (232 °C) — легкоплавкие металлы. Их сплав — припой — плавится ещё ниже (около 180–190 °C), что делает его незаменимым для пайки электроники и радиотехники.

¶Сплавы: сталь, чугун, латунь

Сплавы, как правило, плавятся не при одной температуре, а в интервале: сначала плавится наиболее легкоплавкая составляющая, затем остальные. Это называется интервалом кристаллизации.

• Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14 %). Температура плавления колеблется от 1300 до 1500 °C в зависимости от содержания углерода и легирующих добавок. Чем больше углерода, тем ниже температура плавления.
• Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14 %). Плавится при 1150–1250 °C, то есть ниже стали, что и обеспечило его широкое применение в литейном производстве.
• Латунь — сплав меди с цинком. Температура плавления зависит от пропорции: от примерно 900 до 1000 °C. Латунь легче обрабатывается и дешевле чистой меди.

¶Титан

Титан плавится при 1668 °C — это тугоплавкий металл с высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Высокая температура плавления затрудняет его обработку: для литья и сварки титана требуются специальные вакуумные или инертные среды, поскольку при нагреве он активно поглощает кислород и азот.

¶Стекло и пластик

Стекло — аморфный материал, у него нет строгой температуры плавления. При нагреве оно постепенно размягчается: интервал размягчения обычных силикатных стёкол лежит примерно в пределах 500–900 °C, а полное расплавление происходит при 1000–1400 °C в зависимости от состава. Именно поэтому стекло формуют в пластичном состоянии, а не расплавляют скачкообразно.

Пластик (полимеры) также не имеет фиксированной точки плавления. Термопласты (полиэтилен, полипропилен, полистирол) размягчаются и плавятся в интервале от примерно 100 до 300 °C; реактопласты (например, эпоксидные смолы) при нагреве не плавятся, а разлагаются. Точные значения зависят от типа полимера и его молекулярной массы.

¶Практическое значение

Знание температур плавления определяет выбор технологии:

• Металлургия — выплавка стали, чугуна, алюминия, меди ведётся при температурах выше их точек плавления.
• Литьё — расплав заливают в формы; для легкоплавких металлов подходят дешёвые материалы форм, для тугоплавких требуются огнеупоры.
• Сварка и пайка — температура припоя всегда ниже температуры плавления соединяемых деталей.
• Материаловедение — по температуре плавления судят о прочности межатомных связей и жаропрочности.
• Пожарная безопасность — легкоплавкие металлы и полимеры учитываются при оценке огнестойкости конструкций.

¶Сравнительная таблица

Данные показывают, что металлы образуют упорядоченный ряд по тугоплавкости, а аморфные и полимерные материалы плавятся в широком интервале температур.

Источники: справочники по физике и материаловедению, таблицы физических свойств металлов, технические стандарты металлургической отрасли.