Для выполнения расчетов необходимо обратиться к информации, содержащейся в ГОСТах и других нормативных документах, где представлены основные характеристики различных материалов.
Температура плавления и кипения стали
Сталь является сплавом, состоящим из железа и углерода, и характеризуется значительными прочностными свойствами и длительным сроком эксплуатации. Этот материал востребован в строительной отрасли, где его используют для создания металлокаркасов зданий и сооружений, а также для изготовления мощных элементов различных конструкций.
Особенности
Под определенными условиями твердые вещества начинают плавиться — это общепризнанный факт. Процесс плавления включает в себя постепенное превращение твердого состояния в жидкое, и для каждого материала существует своя температура, при которой это явление происходит. В физике разработаны таблицы, где указаны температуры плавления и кристаллизации—это температурные точки, при которых жидкое тело приобретает твердую форму, для большинства известных материалов.
В таких таблицах перечислена и сталь, где средняя температура плавления, независимо от ее типа, составляет около 1400 градусов по Цельсию.
Плавление представляет собой процесс, в ходе которого твердое вещество переходит в жидкое. Температура плавления — это та температура, при которой происходит изменение состояния вещества. Также выделяют температуру кипения—это значение, при котором материальные тела начинают превращаться в газообразное состояние. Температура кипения стали достигает 3000 градусов по Цельсию.
Теперь подробнее о самой стали. Углеродистые сплавы являются основным видом материалов, производимых на металлургических предприятиях. В состав стали, кроме железа и углерода, могут входить различные добавки, состоящие из других элементов, которые помогают улучшить качества металла и придать ему новые свойства. К таким добавкам можно отнести марганец, кремний и магний; все они нацелены на улучшение как физических, так и химических характеристик стали.
Сталь делится на разные категории, основываясь на уровне содержания углерода в составе.
- Низкоуглеродистые — с содержанием углерода до 0,29%;
- Среднеуглеродистые — с содержанием углерода до 0,6%;
- Высокоуглеродистые — с содержанием углерода, превышающим 0,6%.
Комбинации железа и углерода активно используются в различных сферах; их эксплуатационные возможности зависят от характеристик готового материала, которые включают в себя жаропрочность и стойкость к коррозии. В зависимости от этих критериев стали делят на:
Этот тип стали содержит марганец, который повышает качество металлического изделия и увеличивает температуру плавления, что является важным показателем, определяющим пригодность материала для эксплуатации в сложных и экстремальных условиях. Следует рассмотреть ключевые характеристики наиболее популярных видов сталей.
Легированная
В состав легированной стали входят дополнительные компоненты, которые наделяют ее необходимыми свойствами и обеспечивают требуемую прочность. В зависимости от концентрации добавок сталь можно классифицировать на:
- низколегированную, с концентрацией добавок до 2,5%;
- среднелегированную, где процентное содержание добавок не превышает 10%;
- высоколегированную, с концентрацией добавок, превышающей 10%.
В зависимости от видов добавок, сталь классифицируется на тугоплавкую, хромоникелевую и марганцовистую. Присутствие дополнительных элементов делает материал более устойчивым к коррозии и механическим воздействиям, а также увеличивает температуру плавления во время газосварки до 1400-1480 градусов по Цельсию.
Среди добавок, отвечающих за укрепление свойства материала, можно выделить хром, азот, никель, ванадий, хотя это далеко не полный перечень.
Нержавеющая
Нержавеющая сталь—это сплав, отличающийся высокой устойчивостью к коррозии как в сухой, так и во влажной среде, он также не подвержен воздействию агрессивной окружающей среды. Чтобы достичь необходимых характеристик и повысить качество материала, в состав стали вводятся следующие элементы:
Температура плавления стали
Стальные соединения создаются из железа и углерода. Добавление элементов, таких как никель, хром, молибден и другие могущественные компоненты, позволяет повышать прочность, твердость и другие эксплуатационные свойства стали. Одно из таких качеств — это температура плавления, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое.
Общее описание процесса
Для того чтобы понять при какой температуре плавится сталь, необходимо рассмотреть этот процесс в деталях. Плавление происходит благодаря нагреву. Нагрев можно производить как снаружи, так и изнутри. Внешний нагрев выполняется в термических печах, а резистивный нагрев применяется для расплавления сплава изнутри. Принцип резистивного нагрева заключается в электросопротивлении, которое имеется у холодильных материалов.
Независимо от типа термического воздействия, в материалах происходят схожие изменения. При нагревании интенсивно увеличиваются тепловые колебания молекул, что приводит к возникновению структурных дефектов решетки. Эти изменения приводят к разрушению межатомных связей, что и позволяет сплаву перейти в жидкое состояние.
Типы сплавов
В зависимости от интенсивности нагрева, необходимой для изменения состояния металла, сплавы классифицируют на несколько категорий.
Легкоплавкие. Для их обработки не требуется специального оборудования. Температура плавления таких металлов составляет 600 градусов Цельсия. Примерами легкоплавких металлов являются свинец, олово и цинк.
Стоит выделить ртуть, которая способна переходить в жидкое состояние уже при -39 °C.
Среднеплавкие. Их температура плавления колеблется в диапазоне от 600 °C до 1600 °C. К данной категории относятся алюминий, медь, олово и некоторые виды нержавеющей стали, а также различные сплавы с низким содержанием хрома. Среднеплавкие соединения находят значительное применение в промышленности и повседневной жизни.
Тугоплавкие. Эти соединения плавятся при температуре, превышающей 1600 °C. Это высоколегированные металлы, такие как вольфрам, титан и хром. Благодаря этим добавкам металл становится более прочным и устойчивым к коррозии и химическим воздействиям. К тугоплавким сплавам также относится нержавеющая сталь.
При самых низких температурах плавится щелочные металлы, в то время как для других металлов температурный диапазон плавления значительно шире.
Градус кипения
Во время нагрева материала важно не допустить его закипания, когда из жидкого состояния оно превращается в газообразное. Таким образом, градус кипения также является критически важным технологическим показателем.
Как правило, температура кипения бывает в два раза выше температуры плавления и определяется при нормальном атмосферном давлении. При увеличении давления растет и эффективность нагрева, в то время как при его снижении показатели уменьшаются.
Особенности углеродистой стали
Углеродистые сплавы составляют основной вид продукции, выпускаемой на металлургических заводах. В них содержание углерода не должно превышать 2,14%. В дополнение к этому присутствует небольшое количество легирующих и примесных элементов, включая марганец, кремний и магний. Эти добавки способствуют улучшению физических и химических свойств стали.
Особенности определения температуры кипения
Для работы с чистыми металлами или сплавами необходимо учитывать общие параметры давления и кипения. Однако эти параметры не являются произвольными, они определены термодинамическими закономерностями. Существуют различные методы для определения температуры кипения металлов. Одним из самых старинных является использование электрического сопротивления для нагревания нити и последующее оценивание скорости испарения через ее взвешивание до и после нагрева. Показатели определялись на основе наблюдений за цветом и интенсивностью света.
Тестирования проводятся исключительно в лабораторных условиях, так как использование открытого пламени может быть крайне опасным. Часто используют специальные устройства и колбы с термометрами.
Норма температуры кипения
Теперь вам известно, какая температура кипения стали и как происходит этот процесс. Важно отметить, что температура кипения зависит от прикладываемого давления. Нормальная температура кипения — это та температура, при которой давление пара равно стандартному атмосферному давлению на уровне моря, то есть 760 мм ртутного столба. Параметры можно узнать из таблиц, доступных в интернете и специализированной литературе.
Параметры плавления считаются одним из основных значений, которые необходимо учитывать при выборе металла для применения в условиях высокой температуры. Это, как правило, касается изготовления:
- печей;
- двигателей внутреннего сгорания;
- форсунок зажигания;
- выхлопных систем;
- высокоскоростного оборудования и других подобных изделий.
Знание температуры кипения металла помогает достичь наиболее оптимальных результатов при производстве различных устройств и технологических систем.
Технология и применение
В зависимости от структуры и технологического процесса, специальные стали подразделяются на следующие категории: аустенитные, мартенситные, перлитные и мартенсито-ферритные. Мартенситные и аустенитные стали используются при температурах, достигающих 450−700 °C и являются наиболее распространенными по объему плавки.
С увеличением температуры до 700−1000 °C применяются никелевые сплавы, а при еще более высоких температурах следует использовать кобальтовые сплавы, графит, тугоплавкие металлы и термостойкую керамику.
Аустенитные сплавы являются самыми жаропрочными и используются, когда температура среды достигает 600 °C. Основные легирующие компоненты — хром и никель. Дополнительно могут использоваться Ti, Nb, Cr, Mo, W и Al.
Стали мартенситного класса предназначены для создания изделий, работающих в температурном диапазоне 450−600 °C. Повышенная жаропрочность достигается путем снижения содержания углерода до 0.10−0.15% и легирования хромом (10−12%), молибденом, ниобием, вольфрамом, либо средним содержанием углерода (0,4%) с легированием кремнием ( до 2−3%) и хромом (в пределах 5−10%).
Применение специальных сталей и сплавов крайне узконаправлено и наиболее эффективно в сложных производственных областях. Например, жаропрочные сплавы таких марок, как 30Х12Н7С2 и 30Х13Н7С2С, нашли широкое применение в современных двигателях. Например, марки 15ХМ и 12Х12ВНМФ используются для изготовления котлов и сосудов под давлением. Сталь марки ХН70ВМТЮ идет на производство лопаток газовых турбин, а сплав 08Х17Т используется для создания элементов печей. К жаропрочным материалам также относится нержавеющая сталь.
Разделение металлов
Металлы разделяются по температуре плавления на:
- Легкоплавкие: для их плавления необходимо не более 600 °C. Это такие металлы, как цинк, свинец, висмут и олово.
- Среднеплавкие: температура плавления варьируется от 600 °C до 1600 °C. Это золото, медь, алюминий, магний, железо и никель, а также большинство других элементов.
- Тугоплавкие: плавление таких металлов происходит при температуре выше 1600 °C, в эту категорию входят хром, вольфрам, молибден и титан.
В зависимости от температуры плавления выбор плавильного оборудования также зависит от этой характеристики. Чем выше температура плавления, тем более прочное должно быть оборудование. Узнать температуру нужного вам металла можно из таблиц.
Температура кипения тоже является важным параметром. Это та температура, при которой начинается процесс кипения жидкости, она соответствует температуре насыщенного пара, который образуется над плоской поверхностью кипящей жидкости. Обычно температура кипения почти в два раза выше температуры плавления.
Обе температуры приводятся при нормальном давлении, и между ними существует прямая пропорциональная зависимость.
- При повышении давления увеличивается и температура плавления.
- При понижении давления температура плавления уменьшается.
Таблица легкоплавких металлов и сплавов (до 600 °C)
| Название элемента | Латинское обозначение | Температуры | |
| Плавления | Кипения | ||
| Олово | Sn | 232 °C | 2600 °C |
| Свинец | Pb | 327 °C | 1750 °C |
| Цинк | Zn | 420 °C | 907 °C |
| Калий | K | 63,6 °C | 759 °C |
| Натрий | Na | 97,8 °C | 883 °C |
| Ртуть | Hg | — 38,9 °C | 356,73 °C |
| Цезий | Cs | 28,4 °C | 667,5 °C |
| Висмут | Bi | 271,4 °C | 1564 °C |
| Палладий | Pd | 327,5 °C | 1749 °C |
| Полоний | Po | 254 °C | 962 °C |
| Кадмий | Cd | 321,07 °C | 767 °C |
| Рубидий | Rb | 39,3 °C | 688 °C |
| Галлий | Ga | 29,76 °C | 2204 °C |
| Индий | In | 156,6 °C | 2072 °C |
| Таллий | Tl | 304 °C | 1473 °C |
| Литий | Li | 18,05 °C | 1342 °C |
Таблица среднеплавких металлов и сплавов (от 600 °C)
| Название элемента | Латинское обозначение | Температуры | |
| Плавления | Кипения | ||
| Алюминий | Al | 660 °C | 2519 °C |
| Германий | Ge | 937 °C | 2830 °C |
| Магний | Mg | 650 °C | 1100 °C |
| Серебро | Ag | 960 °C | 2180 °C |
| Золото | Au | 1063 °C | 2660 °C |
| Медь | Cu | 1083 °C | 2580 °C |
| Железо | Fe | 1539 °C | 2900 °C |
| Кремний | Si | 1415 °C | 2350 °C |
| Никель | Ni | 1455 °C | 2913 °C |
| Барий | Ba | 727 °C | 1897 °C |
| Бериллий | Be | 1287 °C | 2471 °C |
| Нептуний | Np | 644 °C | 3901,85 °C |
| Протактиний | Pa | 1572 °C | 4027 °C |
| Плутоний | Pu | 640 °C | 3228 °C |
| Актиний | Ac | 1051 °C | 3198 °C |
| Кальций | Ca | 842 °C | 1484 °C |
| Радий | Ra | 700 °C | 1736,85 °C |
| Кобальт | Co | 1495 °C | 2927 °C |
| Сурьма | Sb | 630,63 °C | 1587 °C |
| Стронций | Sr | 777 °C | 1382 °C |
| Уран | U | 1135 °C | 4131 °C |
| Марганец | Mn | 1246 °C | 2061 °C |
| Константин | — | 1260 °C | — |
| Дуралюмин | Сплав алюминия, магния, меди и марганца | 650 °C | — |
| Инвар | Сплав никеля и железа | 1425 °C | — |
| Латунь | Сплав меди и цинка | 1000 °C | — |
| Нейзильбер | Сплав меди, цинка и никеля | 1100 °C | — |
| Нихром | Сплав никеля, хрома, кремния, железа, марганца и алюминия | 1400 °C | — |
| Сталь | Сплав железа и углерода | 1300 °C | — |
Разница между температурой плавления и кипения
Температура плавления является критической точкой, при которой вещество переходит из твердого кристаллического состояния в жидкое. В расплавленном состоянии молекулы не имеют фиксированного расположения, но притяжение между ними все еще достаточно сильное, чтобы удерживать их вместе; в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет свою форму.
Тем временем, при кипении вещество теряет объем: молекулы взаимодействуют на значительно меньшем уровне и движутся в хаотическом порядке, отделяясь от поверхности. Температура кипения измеряется, когда давление насыщенных паров металла становится равным давлению окружающей среды.
Для более ясного представления разницы между этими критическими точками нагрева полезно представить информацию в виде таблицы:
| Свойства | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|
| Физическое состояние | Сплав становится расплавленным, кристаллическая структура разрушается, и теряется зернистость | Переход в газообразное состояние, молекулы выделяются из расплава |
| Фазовый переход | Равновесие между жидкой и твердой фазами | Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха |
| Влияние внешнего давления | Не оказывает влияния | Изменяется, уменьшается при разряжении |
Таблицы температур плавления металлов и сплавов
Для удобства указаны границы фазового перехода по группам, упорядоченные по возрастанию температуры фазового перехода из твердого в жидкое состояние. Из всех элементов были выбраны наиболее распространенные.
Таблица плавления легкоплавких металлов и сплавов (плавятся до +600 °C).
| Название элемента или соединения | Буквенный символ в периодической таблице элементов | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|---|
| Ртуть | Hg | -38,9 °C | +356,7 °C |
| Литий | Li | +18 °C | +1342 °C |
| Цезий | Cs | +28,4 °C | +667,5 °C |
| Калий | K | +63,6 °C | +759 °C |
| Натрий | Na | +97,8 °C | +883 °C |
| Индий | In | +156,6 °C | +2072 °C |
| Олово | Sn | +232 °C | +2600 °C |
| Висмут | Bi | +271,4 °C | +1564 °C |
| Таллий | Tl | +304 °C | +1473 °C |
| Кадмий | Cd | +321 °C | +767 °C |
| Свинец | Pb | +327 °C | +1750 °C |
| Цинк | Zn | +420 °C | +907 °C |
Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов (диапазон фазового перехода от +600 °C до +1600 °C).
| Наименование | Обозначение металла или химический состав сплава | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|---|
| МЕТАЛЛЫ | |||
| Сурьма | Sb | +630,6 °C | +1587 °C |
| Магний | Mg | +650 °C | +1100 °C |
| Алюминий | Al | +660 °C | +2519 °C |
| Барий | Ba | +727 °C | +1897 °C |
| Кальций | Ca | +842 °C | +1484 °C |
| Серебро | Ag | +960 °C | +2180 °C |
| Золото | Au | +1063 °C | +2660 °C |
| Марганец | Mn | +1246 °C | +2061 °C |
| Медь | Cu | +1083 °C | +2580 °C |
| Бериллий | Be | +1287 °C | +2471 °C |
| Кремний | Si | +1415 °C | +2350 °C |
| Никель | Ni | +1455 °C | +2913 °C |
| Кобальт | Co | +1495 °C | +2927 °C |
| Железо | Fe | +1539 °C | +2900 °C |
| СПЛАВЫ | |||
| Дюрали | Al+Mg+Cu+Mn | +650 °C | — |
| Латуни | сплавы на основе меди и цинка | +950…1050 °C | — |
| Нейзильбер | Cu+Zn+Ni | +1100 °C | — |
| Чугун | углеродистое железо | +1100…1300 °C | — |
| Углеродистые стали | — | +1300…1500 °C | — |
| Нихром | Fe+Ni+Cr+Si+Mn+Al | +1400 °C | — |
| Инвар | Fe+Ni | +1425 °C | — |
| Фехраль | Fe+Cr+Al+Mn+Si | +1460 °C | — |
Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов (свыше +1600 °C).
