Bod tání oceli

Teplota tání (teplota kapaliny) je teplota, při které se látka stává zcela kapalným stavem. Teplota tuhnutí (teplota solidu) je teplota, při které látka zcela ztuhne.

U čistých látek (prvků) se teploty likvidu a solidu shodují. Pro roztoky, které zahrnují ocel a litinu, existuje takzvaný teplotní rozsah krystalizace, ve kterém současně koexistují pevná a kapalná fáze.

Výpočet teplot tání a tuhnutí oceli

Teplota tání a tuhnutí oceli závisí na jejím složení.

Zpravidla při výpočtu T_L a T_S učinit předpoklad o aditivitě vlivu legujících činidel a nečistot na hodnoty těchto veličin. V tomto případě se změna teploty tání/tuhnutí v důsledku přítomnosti konkrétního prvku vypočítá jako

T_{L/S slitina} = T — ΣdT_L/Si
kde T_L/Salloy — teplota likvidu/solidu slitiny, K;
Т — teplota tání rozpouštědla (železa), K;
dT_L/Si – pokles TL a TS v důsledku přítomnosti i-tého prvku v kovu, K.

Vliv různých prvků na teploty tání a krystalizace je určen z fázových diagramů pro každý prvek i (použité fázové diagramy jsou uvedeny v tabulce níže).

Přitom se předpokládalo, že jejich vliv na uvažované veličiny je lineární, tzn.

dT_L/Si = k_L/Si·[i]kde k_L/Si — průměrný koeficient sklonu čáry likvidu (solidus) na fázovém diagramu v určitém koncentračním rozsahu uvažovaného prvku, K/%;
[i] — koncentrace prvku i, hm. %

kL/Si = <(TL/Si)a – (TL/Si)b>/
kde (TL/Si)a a (TL/Si)b jsou teplota likvidu/solidu taveniny, když je koncentrace prvku i v ní rovna [i]a a [i]b, v tomto pořadí, K.

Specifické hodnoty k_{L/S i} byly získány následovně:

k_LC = (1539 – 15. )/. = 64 tis_SC = (1539 – .)/. = 356 při C < 0,1

k_LC = (1539 – 15. )/. = 64 tis_SC = (1539 – .)/. = 141 při C > 0,1

k_LCr = (1539 – 1515)/22 = 1,09 k_SCr = (1539 – 1505)/22 = 1,54

k_LNi = (1539 – 1449)/50 = 1,80 k_SNi = (1539 – 1436)/50 = 2,06

k_LMo = (1539 – 1460)/33 = 2,39 k_SMo = (1539 – 1450)/33 = 2,70

k_LV = (1539 – 1475)/30 = 2,13 k_SV = (1539 – 1468)/30 = 2,37

k_LS = (1539 – 1530)/0,20 = 45,0 k_SS = (1539 – 1365)/0,20 = 870

pokud je obsah síry větší než 0,2, pak dT_SS= 1539 – 1365 = 174

k_LP = (1539 – 1400)/5 = 27,8 k_SP = (1539 – 1050)/5 = 97,8

Je vhodné vypočítat vliv uhlíku na teploty likvidu a solidu s přihlédnutím k regresním výrazům znázorněným na obrázku níže.

Fázový diagram železo-uhlík
(při použití vložte odkaz na webovou stránku steelcast.ru)

Teploty likvidu a solidu se tedy vypočítají jako

Je třeba zdůraznit, že hodnota TS nemá praktický význam, protože během krystalizačního procesu dochází k výrazné redistribuci prvků mezi kapalnou a pevnou fází, v důsledku čehož je kapalina obohacena segregací, především uhlíkem, sírou a fosfor (co určuje schopnost prvků segregovat se dozvíte zde), který přirozeně snižuje teplotu tuhnutí, proto je teplota, při které litý kov ve většině případů zcela ztuhne, mnohem nižší než vypočtená hodnota T hodnota_S.

Níže je uvedena práce A. N. Smirnova, která podrobněji zkoumá problematiku stanovení teploty tavení a tuhnutí oceli

A. N. Smirnov, L. Nedeljkovic, M. Djurdzhevich, T. V. Černobaeva a Z. Odanovich

Doněcká státní technická univerzita (Ukrajina) a Bělehradská univerzita (Jugoslávie)

Přesné provozní informace o teplotě likvidu oceli mají velký praktický význam, protože v závislosti na vybavení provozovně pro mimopecní zpracování je to právě tato teplota, která určuje teplotní režim od odpichu do konce lití, zejména u průběžného odlévání. To umožňuje pracovat s optimálně nízkým stupněm přehřívání a zajišťuje jemnozrnnou strukturu odlitku a vysokou kvalitu obrobku. Je známo, že měření teploty likvidu (TL) nezpůsobuje výrazné potíže. Uvedeného chemického složení oceli je však dosaženo ukončením mimopecní úpravy před zahájením kontinuálního lití, což výrazně omezuje možnost využití experimentálních dat (záznam ochlazovací křivky). Pro rychlé určení hodnoty TL je proto vhodné provést výpočty pomocí údajů o chemickém složení oceli.

Mezitím výběr jakékoli univerzální metody pro výpočet teploty likvidu v praxi způsobuje značné potíže, protože doporučení odborníků zapojených do řešení tohoto problému jsou zcela protichůdná. Porovnání přesnosti a spolehlivosti metod výpočtu T_L pro ocel různých jakostí byla v této práci provedena.

Většina známých metod pro výpočet teploty likvidu uhlíkové a legované oceli je založena na polynomických výrazech, které lze shrnout následovně [1. 9]:

kde Tmelt Fe je teplota tání čistého železa (v souladu s většinou známých doporučení T_plavání Fe = 1539 °C); A — součinitel redukce teploty tání čistého železa (zavádí se, pokud se vezme hodnota teploty tání železa, která se liší od výše uvedené hodnoty); A₁ a a₂ — koeficienty významnosti 1. a 2. řádu pro odpovídající prvek i obsažený v oceli dané jakosti; [i] je obsah prvku i v oceli dané jakosti, %.

Základem pro vyjádření tohoto typu je hypotéza, že každý z chemických prvků nezávisle na sobě ovlivňuje pokles teploty likvidu železa. V tomto případě lze výsledný vliv všech prvků rozpuštěných v oceli na pokles teploty likvidu získat na základě dvoufázových diagramů Fe-Xi. Proto se tyto výrazy liší pouze tím, jak je čára likvidu v binárním diagramu aproximována ze strany železa. V nejjednodušším případě je nahrazena tečnou přímkou ​​k přímce likvidu na straně železa a výraz pro teplotu likvidu je zjednodušen na polynom prvního řádu. Podobné výrazy, jak je vidět z tabulky. 1 [1. 4], liší se v hodnotách koeficientů a_i a přijatý bod tání železa.

Vliv změny koncentrace každého chemického prvku na pokles teploty tání železa lze také vzít v úvahu popisem čáry likvidu pomocí polynomu druhého řádu nebo uložením přerušované čáry do křivky teploty likvidu. Navíc nestejný sklon segmentů přerušované čáry v koncentračních intervalech bere v úvahu vliv vlastní koncentrace každého prvku na pokles teploty tání železa. Jako ilustrace v tabulce. 1 jsou uvedeny údaje z prací [5. 7], kde se bere v úvahu pouze koncentrační závislost vlivu uhlíku a práce [8, 9], kde je tato koncentrační závislost vyjádřena i pro řadu dalších prvků v oceli. Uvedeno v tabulce. 1 lze použít pouze v těch koncentračních oblastech, ve kterých se při tuhnutí tvoří pevný roztok.

Směrodatné odchylky σ (tabulka 1) však nemohou sloužit jako obecné kritérium pro posouzení spolehlivosti a použitelnosti každého ze vzorců, protože specialisté obvykle používají mírně odlišné technické metody a nástroje pro měření teploty likvidu oceli. Zdá se, že takové posouzení by mělo být provedeno pro data, která byla získána za přibližně stejných podmínek s poměrně spolehlivým měřením teploty likvidu ve vztahu k velkému množství jakostí oceli.

V této práci jsme vybrali výsledky měření teploty likvidu pro ocel 87 jakostí podle údajů A.A. Howe [10]. Chemické složení oceli některých z těchto jakostí a výsledky měření teploty likvidu jsou uvedeny v tabulce. 2. V tomto případě pro ocel složení 1-10 byla teplota likvidu stanovena termickou analýzou vzorku o hmotnosti 400 g, pro ocel složení 11-20 – současně termickou a diferenciální termickou analýzou vzorku o hmotnosti 40 g .

Bylo zjištěno, že vypočtené teploty likvidu ve většině případů přesahují experimentální data. S poklesem teploty likvidu, který odpovídá zvýšení obsahu uhlíku a legujících prvků v oceli, se šíření rozšiřuje.

Výsledky posouzení spolehlivosti výpočtů teploty likvidu (tabulka 3) ukazují, že použití navržených vzorců se nevyznačuje vysokou mírou přesnosti, neboť i ty nejpřesnější výsledky výpočtů mají směrodatnou odchylku asi ±2,5, což odpovídá rozprostřené pásmo ±7,5 °C .

Podle autorů tohoto článku může být taková odchylka vypočtených dat od experimentálních dat způsobena zejména tím, že tyto vzorce nezohledňují charakter interakce jednotlivých chemických prvků při určité koncentraci. Z prací [11-13] je známo, že pokud se za přítomnosti jakéhokoli jiného prvku nebo se zvýšením jeho vlastní koncentrace změní koeficient aktivity daného prvku, pak jeho vliv na T_L ocel se musí odpovídajícím způsobem změnit.

Rostoucí vliv koeficientu aktivity uhlíku se zvyšující se jeho koncentrací v oceli je ilustrován na příkladu oceli obsahující 1,48 % C (tabulka 4). Při takovém zvýšení koeficientu aktivity uhlíku se jeho skutečný vliv na pokles teploty likvidu, stanovený experimentálně, ukazuje mnohem větší, než lze předpokládat z výsledků výpočtů pomocí známých vzorců. Proto jsou ve většině případů vypočtené hodnoty T_L znatelně vyšší než experimentální. V opačném případě, pokud ocel obsahuje prvek, který snižuje aktivitu uhlíku, a tudíž uhlík snižuje aktivitu tohoto prvku v oceli (B, tabulka 4, manganová ocel), je skutečný pokles teploty likvidu stanovený experimentálně menší. než ta vypočtená pomocí vzorců, které nezohledňují vzájemné ovlivnění aktivit, což je vyjádřeno kladnou odchylkou rozdílů mezi experimentálními a vypočtenými hodnotami T_L. Složitější příklad (B, tabulka 4) pro ocel s vysokým obsahem niklu ilustruje velké odchylky v rozdílech mezi experimentálními a vypočtenými hodnotami T_L v kladném směru téměř ve všech vzorcích, což je zjevně důsledek nedostatečného popisu čáry likvidu ve dvojkové soustavě Fe-Ni.

Je třeba poznamenat, že byly uvažovány pouze dvousložkové a třísložkové systémy (tabulka 4), důvod odchylky vypočítaných experimentálních hodnot TL lze rozumně vysvětlit. Největší rozptyl odchylek T hodnot_L pozorované u legované oceli vícesložkového složení, kde je interakce mezi prvky složitější. V důsledku toho jsou u oceli tohoto složení odchylky způsobené nedostatečným zohledněním účinků takových interakcí na snížení teploty likvidu méně předvídatelné.

Jak je vidět z tabulky. 2, pro uhlíkovou a nízkolegovanou ocel skupiny dT_ženatý má zápornou hodnotu a v absolutní hodnotě v každém jednotlivém případě větší než dTmin. Ve více než 90 % případů jsou hodnoty dTmin rozloženy podle normálního zákona v intervalu ± 2 °C kolem aktuální teploty likvidu a asi 70 % – v intervalu ± 1 °C.

Tabulka 1. Koeficienty aa₁ a a₂ charakterizující míru vlivu chemických prvků obsažených v oceli na pokles teploty likvidu*

Jaká je teplota tání kovu

Bod tání (MT) je indikátor, který indikuje přechod z pevné látky na kapalinu. U kovů je to nesmírně důležité, protože určuje jejich chování při zahřívání a použití v různých aplikacích. Hodnota se liší v závislosti na typu kovu. Například:

1. Zlato (Au): 1064 °C.
2. Stříbro (Ag): 961.8 °C.
3. Měď (Cu): 1085 °C.
4. Železo (Fe): 1538 °C.
5. Hliník (Al): 660.3 °C.

Teplota tání se určuje několika metodami. Klasickým je ohřev vzorku v peci s řízenými parametry a měření teploměrem hodnoty, při které kov přechází do kapalného stavu agregace.

Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) zachycuje tepelné změny, ke kterým dochází během tání. Vzorek se zahřívá konstantní rychlostí a zaznamenává se teplo, které je absorbováno nebo uvolněno během přechodu mezi stavy kovů. V některých případech je důležité použít jednoduché pozorování změny stavu vzorku při zahřívání.

Teplota tání závisí na různých faktorech. Například:

1. Čistota – nečistoty v kovu snižují nebo zvyšují práh teploty.
2. Vlastnosti krystalové struktury vzorku.
3. Složení slitin, druh a procento legujících materiálů ovlivňuje rychlost přechodu z pevného do kapalného stavu.

Bod tání je klíčovým parametrem pro pochopení tepelného chování kovů a jejich aplikací v různých průmyslových odvětvích.

Proč znát bod tání kovu?

Znalost tohoto parametru je nesmírně důležitá pro většinu oblastí vědy a techniky.

Například při odlévání a formování je důležité předem určit teplotu tání, aby se vytvořil předlisek nebo konečný výrobek. Během procesu odlévání je důležitá přesná regulace teploty, aby se předešlo defektům.

Při svářečských pracích je znalost tohoto parametru důležitá pro správnou volbu režimu ohřevu, aby nedocházelo k přehřívání nebo nedohřívání spojovaných materiálů.

Znalost technických specifikací pomáhá inženýrům vybrat správné materiály pro konkrétní provozní podmínky. Například vysokoteplotní aplikace (jako je letectví nebo kosmická technika) vyžadují kovy se zvýšenou tepelnou odolností. Při vytváření slitin je také důležité stanovit TP, abychom získali konečný materiál s požadovanými vlastnostmi (pevnost, odolnost proti korozi, tažnost).

Znalost teploty tavení je důležitá během procesů tepelného zpracování, jako je kalení nebo žíhání, aby se účinně měnily mechanické vlastnosti kovu. Parametr je neméně důležitý při regeneraci a opětovném použití materiálů v procesu recyklace.

Při navrhování zařízení a konstrukcí je důležité znát tepelný práh kovu, aby bylo možné předem vypočítat rizika a vyhnout se deformaci materiálu během provozu. Ve fyzice a chemii materiálů jsou TP důležité pro studium vlastností materiálů, jejich strukturních změn a fázových přechodů, při vývoji nových slitin a kompozitů.

Teplota tání kovů a slitin je základním poznatkem pro mnoho průmyslových procesů, výběr materiálů, bezpečnost a vědecký výzkum.

Klasifikace kovů podle bodu tání

V závislosti na teplotním prahu se kovy dělí do několika kategorií. U nízkotavitelných materiálů je TC pod 400 °C. To je relevantní pro:

1. Rtuť (Hg) – -38,83 °C. Jediný kov, který je kapalný při pokojové teplotě.
2. Olovo (Pb) – 327,5 °C. Používá se v bateriích a pro radiační ochranu.
3. Bismut (Bi) – 271,4 °C. Materiál je relevantní ve slitinách a pro výrobu některých léků.
4. Thalium (Tl) – 304 °C. Vhodné pro použití v optice a elektronice.

Nízkotavitelné kovy se často používají při výrobě slitin, stejně jako v termočláncích a pájkách.

Střednětavitelné kovy mají bod tání od 400 °C do 1000 °C. U hliníku je to například 660,3 °C. Produkty jsou relevantní ve stavebnictví, letectví a balení. U

slitiny mědi (například bronz, mosaz) TP závisí na složení, ale obvykle se pohybuje v rozmezí 800-1000 °C. Zinek, používaný pro galvanizaci oceli a výrobu slitin, tento ukazatel je při 419,5 °C.

Středně tavitelné materiály jsou relevantní ve stavebnictví, automobilovém průmyslu a elektronice.

Teplota tání žáruvzdorných slitin je nad 1000 °C. U železa je to 1538 °C, u titanu – 1668 °C, u niklu – 1455 °C, u wolframu 3422 °C. Proto se používá při výrobě žárovek a při vytváření vysokoteplotních slitin.

Žáruvzdorné kovy jsou extrémně důležité v mechanismech pracujících pod vysokým mechanickým zatížením.

Klasifikace kovů podle bodu tání pomáhá určit jejich použití a vlastnosti. Nízkotavitelné kovy se používají v nízkoteplotních procesech, střednětavné kovy se používají ve stavebnictví a výrobě a žáruvzdorné kovy se používají ve vysokoteplotních provozních podmínkách.

Výpočet bodu tání kovů

TP konkrétního kovu lze vypočítat pomocí různých experimentálních a teoretických metod.

K tomu existuje Gibbsův model volné energie, kdy je tepelný parametr určen změnou Gibbsovy volné energie (G) mezi pevnou a kapalnou fází:

Δ G = G_(kapalina) – G_(pevná látka) = 0

V rovnováze mezi pevnou a kapalnou fází se volná energie nemění, a to nám umožňuje stanovit rovnici pro teplotu tání (Tₘ):

Tₘ = AH_f / Δ S_f

kde Δ H_f je entalpie tání (změna entalpie při přechodu z pevné látky na kapalinu) a Δ S_f je změna entropie (změna neuspořádanosti systému během tání).

Existuje také Clausiova-Clapeyronova rovnice. Rovnice souvisí se změnou tlaku a teploty pro fázový přechod:

dP / dT = L / T Δ V

• L – teplo tání,
• T – teplota,
• Δ V je změna objemu při přechodu z pevné látky na kapalinu.

Jako příklad vypočítejme bod tání olova (Pb) pomocí známých hodnot. Entalpie tání olova (Δ H_f) = 4,8 kJ/mol (nebo 4800 J/mol) a změna entropie (Δ S_f) = 13,3 J/(mol K).

Dosaďte data ve vzorci:

Tₘ = Δ H_f / Δ S_f = 4800 J/mol / 13,3 J/(mol K> ≈ 360,9 K

Experimentálně je TP olova asi 327,5 °C (nebo 600,65 K). Výsledná hodnota (360,9 K) je odlišná z důvodu zjednodušení v modelu a předpokladů o ideálních podmínkách.

Tato stránka představuje tabulku teplot tání kovů a slitin při normálním atmosférickém tlaku.

Teploty tání kovů lze vypočítat pomocí různých teoretických modelů a rovnic. Pro přesné určení je však lepší použít experimentální data. Upozorňujeme, že skutečné podmínky mohou ovlivnit výsledky výpočtu.