1. Perkenalan
Titik pencairan suatu bahan - didefinisikan sebagai suhu di mana ia bertransisi dari padatan ke cair di bawah tekanan atmosfer standar - adalah properti mendasar dalam ilmu material.
Nilai ini tidak hanya menentukan metode pemrosesan untuk logam atau paduan tetapi juga mempengaruhi kesesuaiannya untuk lingkungan dan aplikasi tertentu.
Data titik peleburan yang akurat sangat penting untuk desain yang aman dan efisien, pemilihan materi, dan optimasi proses di berbagai industri - dari kedirgantaraan dan otomotif hingga elektronik dan energi.
Artikel ini mengeksplorasi perilaku pencairan logam murni dan paduan komersial, didukung oleh tabel data utama, Diskusi faktor -faktor yang berpengaruh, dan teknik pengukuran modern.
2. Dasar -dasar perilaku leleh
Dasar termodinamika
Peleburan diatur oleh keseimbangan termodinamika, di mana energi bebas gibbs dari fase padat sama dengan cairan.
Selama meleleh, bahan menyerap Panas fusi laten Tanpa perubahan suhu sampai seluruh struktur bertransisi ke keadaan cair.
Struktur dan ikatan kristal
Struktur kristal memiliki dampak mendalam pada suhu leleh. Misalnya:
- FCC (Kubik yang berpusat pada wajah) logam, seperti aluminium dan tembaga, memiliki titik leleh yang relatif lebih rendah karena atom yang lebih padat tetapi energi ikatan yang lebih rendah.
- BCC (Kubik yang berpusat pada tubuh) Logam seperti besi dan kromium umumnya menunjukkan titik leleh yang lebih tinggi karena ikatan atom yang lebih kuat dan stabilitas kisi yang lebih besar.
Perilaku mencair dalam paduan
Tidak seperti zat murni, Paduan biasanya tidak memiliki titik leleh yang tajam. Alih-alih, Mereka menunjukkan a rentang leleh, ditentukan oleh solidus (Onset peleburan) Dan cairan (melelehkan lengkap) suhu.
Memahami rentang ini sangat penting dalam metalurgi dan sering divisualisasikan melalui Diagram fase biner dan terner.
3. Titik lebur logam murni
Titik leleh logam murni dikarakterisasi dengan baik dan berfungsi sebagai nilai referensi dalam industri dan akademisi.
Tabel di bawah ini menyajikan titik lebur logam teknik umum di Celcius (° C.), Fahrenheit (° f), dan Kelvin (K):
Titik lebur logam kunci
| Logam | Titik lebur (° C.) | (° f) | (K) |
|---|---|---|---|
| Aluminium (Al) | 660.3 | 1220.5 | 933.5 |
| Tembaga (Cu) | 1085 | 1985 | 1358 |
| Besi (Fe) | 1538 | 2800 | 1811 |
| Nikel (Di dalam) | 1455 | 2651 | 1728 |
| Baja (Karbon) | 1425–1540 | 2600–2800 | (tergantung pada nilai) |
| Titanium (Dari) | 1668 | 3034 | 1941 |
| Seng (Zn) | 419.5 | 787.1 | 692.6 |
| Memimpin (Pb) | 327.5 | 621.5 | 600.7 |
| Timah (Sn) | 231.9 | 449.4 | 505.1 |
| Perak (Ag) | 961.8 | 1763.2 | 1234.9 |
| Emas (Au) | 1064.2 | 1947.6 | 1337.4 |
Titik lebur dari logam murni penting lainnya
| Logam | Titik lebur (° C.) | (° f) | (K) |
|---|---|---|---|
| Kromium (Cr) | 1907 | 3465 | 2180 |
| Molybdenum (Mo) | 2623 | 4753 | 2896 |
| Tungsten (W) | 3422 | 6192 | 3695 |
| Tantalum (Menghadap) | 3017 | 5463 | 3290 |
| Platinum (Pt) | 1768 | 3214 | 2041 |
| Palladium (PD) | 1555 | 2831 | 1828 |
| Kobalt (Bersama) | 1495 | 2723 | 1768 |
| Seng (Zn) | 419.5 | 787.1 | 692.6 |
| Magnesium (Mg) | 650 | 1202 | 923 |
| Bismut (Dua) | 271 | 520 | 544 |
| Indium (Di dalam) | 157 | 315 | 430 |
| Air raksa (HG) | –38.83 | –37.89 | 234.32 |
| Lithium (Li) | 180.5 | 356.9 | 453.7 |
| Uranium (U) | 1132 | 2070 | 1405 |
| Zirkonium (Zr) | 1855 | 3371 | 2128 |
4. Titik peleburan paduan umum
Dalam praktiknya, Sebagian besar bahan teknik bukan logam murni tetapi paduan. Kombinasi ini sering meleleh di atas a jangkauan karena beberapa fase dengan komposisi yang berbeda.
Paduan umum dan rentang lelehnya
| Nama paduan | Rentang leleh (° C.) | (° f) | (K) |
|---|---|---|---|
| Aluminium 6061 | 582–652 ° C. | 1080–1206 ° F. | 855–925k |
| Aluminium 7075 | 477–635 ° C. | 891–1175 ° F. | 750–908k |
| Kuningan (Kuning, 70/30) | 900–940 ° C. | 1652–1724 ° F. | 1173–1213K |
| Kuningan merah (85Dengan 15zn) | 960–1010 ° C. | 1760–1850 ° F. | 1233–1283K |
| Perunggu (Dengan-sn) | 850–1000 ° C. | 1562–1832 ° F. | 1123–1273K |
| Gunmetal (Cu-sn-zn) | 900–1025 ° C. | 1652–1877 ° F. | 1173–1298K |
| Cupronickel (70/30) | 1170–1240 ° C. | 2138–2264 ° F. | 1443–1513K |
| Monel (Ni-cu) | 1300–1350 ° C. | 2372–2462 ° F. | 1573–1623k |
| Inconel 625 | 1290–1350 ° C. | 2354–2462 ° F. | 1563–1623k |
| Hastelloy C276 | 1325–1370 ° C. | 2417–2498 ° F. | 1598–1643K |
| Baja tahan karat 304 | 1400–1450 ° C. | 2552–2642 ° F. | 1673–1723K |
| Baja tahan karat 316 | 1375–1400 ° C. | 2507–2552 ° F. | 1648–1673K |
| Baja karbon (lembut) | 1425–1540 ° C. | 2597–2804 ° F. | 1698–1813K |
| Baja pahat (Aisi D2) | 1420–1540 ° C. | 2588–2804 ° F. | 1693–1813K |
| Besi ulet | 1140–1200 ° C. | 2084–2192 ° F. | 1413–1473K |
| Besi cor (Abu-abu) | 1150–1300 ° C. | 2102–2372 ° F. | 1423–1573K |
| Paduan Titanium (Ti -6al -4v) | 1604–1660 ° C. | 2919–3020 ° F. | 1877–1933K |
| Besi tempa | 1480–1565 ° C. | 2696–2849 ° F. | 1753–1838K |
| Pateri (SN63PB37) | 183 ° C. (Eutektik) | 361 ° f | 456 K |
| Babbitt Metal | 245–370 ° C. | 473–698 ° F. | 518–643K |
| Beban 3 (Paduan Zn-al) | 380–390 ° C. | 716–734 ° F. | 653–663K |
| Nichrome (ni-cr-fe) | 1350–1400 ° C. | 2462–2552 ° F. | 1623–1673K |
| Logam Lapangan | 62 ° C. | 144 ° f | 335 K |
| Logam Wood | 70 ° C. | 158 ° f | 343 K |
5. Faktor -faktor yang mempengaruhi titik lebur
Titik pencairan logam atau paduan bukanlah nilai tetap yang ditentukan semata -mata oleh komposisi unsurnya.
Itu adalah hasil dari interaksi kompleks yang melibatkan struktur atom, Ikatan Kimia, struktur mikro, tekanan eksternal, dan kotoran.
Efek elemen paduan
Salah satu faktor paling signifikan yang mengubah perilaku leleh adalah keberadaan elemen paduan.
Elemen -elemen ini mengganggu keteraturan kisi kristal logam, baik menaikkan atau menurunkan titik leleh tergantung pada sifat dan interaksinya dengan logam dasar.
- Karbon dalam baja: Meningkatkan kandungan karbon dalam zat besi secara signifikan menurunkan suhu solidus.
Besi murni meleleh pada ~ 1538 ° C, Tapi baja karbon mulai meleleh 1425 ° C karena pembentukan karbida besi. - Silikon (Dan): Sering ditambahkan ke cor setrika dan paduan aluminium, silikon bisa mengangkat Titik leleh aluminium murni tetapi cenderung menurunkannya saat bagian dari campuran eutektik.
- Kromium (Cr), Nikel (Di dalam): Di baja tahan karat, Elemen paduan ini menstabilkan struktur mikro dan dapat mempengaruhi perilaku leleh.
Misalnya, 304 stainless steel meleleh dalam kisaran 1400–1450 ° C karena itu 18% CR dan 8% Konten ni. - Tembaga (Cu) dan seng (Zn): Di kuningan, Cu: Rasio Zn menentukan rentang leleh. Konten Zn yang lebih tinggi mengurangi titik leleh dan meningkatkan castability, tetapi dapat mempengaruhi kekuatan.
Karakteristik mikrostruktur
Struktur mikro - terutama ukuran biji -bijian dan distribusi fase - dapat memiliki pengaruh yang halus namun berdampak pada perilaku leleh logam:
- Ukuran biji -bijian: Biji -bijian yang lebih halus dapat sedikit mengurangi titik leleh yang jelas karena peningkatan area batas butir, yang cenderung meleleh lebih awal dari biji -bijian itu sendiri.
- Fase/inklusi kedua: Endapan (MISALNYA., karbida, nitrida) dan inklusi non-logam (MISALNYA., oksida atau sulfida) dapat meleleh atau bereaksi pada suhu yang lebih rendah,
menyebabkan Likuidasi lokal dan merendahkan integritas mekanik selama pengelasan atau penempaan.
Kotoran dan elemen jejak
Bahkan sejumlah kecil kotoran - kurang dari 0,1% - dapat mengubah perilaku leleh logam:
- Belerang dan fosfor dalam baja: Elemen-elemen ini membentuk eutektik titik-melingkar rendah, yang melemahkan batas gandum dan mengurangi kemampuan kerja panas.
- Oksigen dalam titanium atau aluminium: Kotoran interstitial seperti o, N, atau h dapat merangkul materi dan Persempit Kisaran Lelur, menyebabkan retak dalam proses casting atau sintering.
Efek lingkungan dan tekanan
Titik pencairan juga a fungsi kondisi eksternal, terutama tekanan:
- Efek bertekanan tinggi: Meningkatkan tekanan eksternal umumnya meningkatkan titik leleh, karena menjadi lebih sulit bagi atom untuk mengatasi energi kisi.
Ini sangat relevan dalam studi geofisika dan peleburan vakum. - Kekosongan atau atmosfer terkontrol: Logam seperti titanium dan zirkonium teroksidasi pada suhu tinggi di udara.
Peleburan harus dilakukan di bawah Gas kekosongan atau inert (argon) untuk mencegah kontaminasi dan mempertahankan kemurnian paduan.
Struktur dan ikatan kristal
Susunan atom dan energi ikatan dalam kisi kristal sangat mendasar untuk perilaku leleh:
- Kubik yang berpusat pada tubuh (BCC) Logam: Besi (Fe), kromium (Cr), dan molibdenum (Mo) menunjukkan titik leleh yang tinggi karena pengemasan atom yang kuat dan energi ikatan yang lebih tinggi.
- Kubik yang berpusat pada wajah (FCC) Logam: Aluminium (Al), tembaga (Cu), dan nikel (Di dalam) juga menunjukkan titik leleh yang signifikan tetapi biasanya lebih rendah dari logam BCC dengan berat atom yang sama.
- Hexagonal Closed-Packed (Hcp): Logam seperti titanium dan seng meleleh pada suhu yang lebih rendah dari yang diharapkan karena perilaku ikatan anisotropik.
Tabel Ringkasan: Faktor dan efek khasnya
| Faktor | Efek pada titik lebur | Contoh |
|---|---|---|
| Kandungan karbon (dalam baja) | ↓ Menurunkan suhu solidus | Baja meleleh ~ 100 ° C lebih rendah dari besi murni |
| Konten silikon | ↑ meningkatkan atau ↓ lebih rendah tergantung pada matriks/paduan | Paduan al-si meleleh lebih rendah dari murni al |
| Ukuran biji -bijian | ↓ biji -bijian halus dapat sedikit mengurangi titik leleh yang jelas | Paduan Ni berbutir halus meleleh lebih seragam |
| Kotoran | ↓ Promosikan likuidasi awal dan peleburan yang terlokalisasi | S dan P dalam baja mengurangi kemampuan kerja panas |
| Tekanan | ↑ Tekanan yang lebih tinggi meningkatkan titik leleh | Digunakan dalam proses sintering bertekanan tinggi |
| Ikatan & Struktur kristal | ↑ ikatan yang lebih kuat = titik leleh yang lebih tinggi | Mo > Cu karena kisi BCC yang lebih kuat |
6. Teknik dan standar pengukuran
Memahami titik peleburan logam dan paduan dengan akurasi tinggi sangat penting dalam rekayasa bahan, terutama untuk aplikasi yang melibatkan casting, pengelasan, penempaan, dan desain termal.
Namun, mengukur titik leleh tidak semudah kelihatannya, terutama untuk paduan kompleks yang meleleh di kisaran daripada satu titik.
Bagian ini mengeksplorasi teknik pengukuran yang paling banyak diterima, protokol standar, dan pertimbangan utama untuk data titik peleburan yang andal.
Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC)
Kalorimetri pemindaian diferensial adalah salah satu metode yang paling tepat dan banyak digunakan untuk menentukan titik peleburan logam dan paduan.
- Prinsip kerja: DSC mengukur aliran panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu sampel dibandingkan dengan referensi dalam kondisi terkontrol.
- Keluaran: Instrumen menghasilkan kurva yang menunjukkan Puncak endotermik di titik peleburan. Untuk paduan, itu mengungkapkan keduanya solidus Dan cairan suhu.
- Aplikasi: Biasa digunakan untuk paduan aluminium, paduan solder, logam mulia, dan bahan canggih seperti paduan memori bentuk.
Contoh: Dalam tes DSC dari paduan al-Si, timbulnya pencairan (solidus) terjadi pada ~ 577 ° C, saat pencairan lengkap (cairan) selesai pada ~ 615 ° C.
Analisis Termal melalui DTA dan TGA
Analisis termal diferensial (DTA)
DTA mirip dengan DSC tetapi fokus perbedaan suhu daripada aliran panas.
- Digunakan secara luas dalam penelitian untuk belajar transformasi fase dan reaksi peleburan.
- DTA unggul di lingkungan yang membutuhkan rentang suhu yang lebih tinggi, seperti menguji superalloy dan keramik.
Analisis Thermogravimetri (TGA)
Meskipun tidak secara langsung digunakan untuk penentuan titik lebur, TGA membantu menilai oksidasi, penguraian, Dan penguapan yang dapat mempengaruhi perilaku leleh pada suhu tinggi.
Pengamatan visual dengan tungku suhu tinggi
Untuk logam tradisional seperti baja, tembaga, dan titanium, Titik lebur sering diamati secara visual menggunakan Pirometri optik atau tungku mikroskop suhu tinggi:
- Prosedur: Sampel dipanaskan dalam tungku terkontrol saat permukaannya dipantau. Peleburan diamati dengan keruntuhan permukaan, pembasah, atau pembentukan manik.
- Ketepatan: Kurang tepat dari DSC tetapi masih banyak digunakan dalam pengaturan industri untuk kontrol kualitas.
Catatan: Metode ini masih standar dalam pengecoran di mana skrining paduan cepat diperlukan, Apalagi untuk formulasi khusus.
Protokol Standar dan Kalibrasi
Untuk memastikan hasil yang konsisten dan diterima secara global, Tes poin lebur harus dipatuhi Standar Internasional, termasuk:
| Standar | Keterangan |
|---|---|
| ASTM E794 | Metode Uji Standar untuk Melting dan Kristalisasi Bahan dengan Analisis Termal |
| ASTM E1392 | Pedoman Kalibrasi DSC Menggunakan Logam Murni Seperti Indium, seng, dan emas |
| Iso 11357 | Seri untuk analisis termal polimer dan logam, Termasuk metode DSC |
| DARI 51004 | Standar Jerman untuk menentukan perilaku leleh dengan DTA |
Kalibrasi sangat penting untuk hasil yang akurat:
- Logam referensi murni dengan titik leleh yang diketahui (MISALNYA., indium: 156.6 ° C., timah: 231.9 ° C., emas: 1064 ° C.) digunakan untuk mengkalibrasi instrumen analisis termal.
- Kalibrasi harus dilakukan secara berkala untuk mengoreksi melayang dan memastikan akurasi yang konsisten, Apalagi saat mengukur bahan di atas 1200 ° C..
Tantangan praktis dalam pengukuran titik lebur
Beberapa faktor dapat memperumit pengujian titik lebur:
- Oksidasi: Logam seperti aluminium dan magnesium dengan mudah teroksidasi pada suhu tinggi, mempengaruhi perpindahan panas dan akurasi. Atmosfer pelindung (MISALNYA., argon, nitrogen) atau ruang vakum sangat penting.
- Contoh homogenitas: Paduan yang tidak homogen dapat dipamerkan rentang leleh yang luas, membutuhkan pengambilan sampel yang cermat dan beberapa tes.
- Superheating atau underheating: Dalam tes dinamis, Sampel mungkin overshoot atau undershoot Titik leleh yang sebenarnya karena lag termal atau konduktivitas termal yang buruk.
- Efek sampel kecil: Dalam bahan bubuk metalurgi atau skala nano, Ukuran partikel kecil dapat mengurangi titik leleh karena peningkatan energi permukaan.
7. Pemrosesan industri dan aplikasi data titik pencairan
Bagian ini mengeksplorasi bagaimana perilaku pencairan menginformasikan proses dan aplikasi industri utama, Sambil menyoroti kasus penggunaan khusus di seluruh industri modern.
Pembentukan casting dan logam
Salah satu aplikasi data titik leleh yang paling langsung terletak pada Pengecoran logam Dan membentuk proses, dimana Suhu transisi padat-cair menentukan persyaratan pemanasan, desain cetakan, dan strategi pendinginan.
- Logam yang meleleh rendah (MISALNYA., aluminium: ~ 660 ° C., seng: ~ 420 ° C.) sangat ideal untuk volume tinggi casting mati, Menawarkan waktu siklus cepat dan biaya energi yang rendah.
- Bahan Melting Tinggi seperti baja (1425–1540 ° C.) dan titanium (1668 ° C.) memerlukan cetakan refraktori Dan Kontrol termal yang tepat untuk menghindari cacat permukaan dan isian yang tidak lengkap.
Contoh: Dalam casting investasi bilah turbin yang dibuat dari Inconel 718 (~ 1350–1400 ° C.), Kontrol pencairan dan pemadatan yang tepat sangat penting untuk mencapai integritas mikrostruktur dan keandalan mekanik.
Pengelasan dan Brazing
Pengelasan melibatkan leleh yang terlokalisasi logam untuk membuat kuat, sendi permanen. Data titik leleh yang akurat sangat penting untuk memilih:
- Logam pengisi yang meleleh sedikit di bawah logam dasar
- Suhu pengelasan untuk mencegah pertumbuhan biji -bijian atau tekanan residu
- Paduan Brazing, seperti solder berbasis perak, yang meleleh antara 600–800 ° C untuk bergabung dengan komponen tanpa mencair basis
Wawasan: Baja tahan karat (304) memiliki jangkauan leleh ~ 1400–1450 ° C. Dalam pengelasan TIG, Ini menginformasikan pilihan gas perisai (argon/helium), batang pengisi, dan level saat ini.
Metalurgi bubuk dan manufaktur aditif
Titik pencairan juga mengatur teknologi fabrikasi canggih seperti Metalurgi bubuk (PM) Dan manufaktur aditif logam (PAGI), Di mana profil termal Dampak langsung Kualitas bagian.
- Di dalam PM Sintering, Logam dipanaskan tepat di bawah titik lelehnya (MISALNYA., Besi di ~ 1120–1180 ° C) untuk mengikat partikel melalui difusi tanpa pencairan.
- Di dalam Fusi Tempat Tidur Bedak Laser (LPBF), Titik lebur menentukan Pengaturan Daya Laser, Kecepatan pindai, Dan Lapisan adhesi.
Studi kasus: Untuk TI-6AL-4V (rentang leleh: 1604–1660 ° C.), Pabrikan aditif membutuhkan pemanasan awal terkontrol untuk mengurangi tekanan residual dan menghindari warping.
Desain komponen suhu tinggi
Di sektor berkinerja tinggi seperti Aerospace, pembangkit listrik, Dan Pemrosesan Kimia, Komponen harus mempertahankan kekuatan mekanik pada suhu tinggi.
Dengan demikian, Titik pencairan berfungsi sebagai a ambang pemutaran untuk pemilihan material.
- Superalloy berbasis nikel (MISALNYA., Inconel, Hastelloy) digunakan dalam bilah turbin dan mesin jet karena rentang leleh yang tinggi (1300–1400 ° C.) dan resistensi creep.
- Logam refraktori seperti tungsten (titik lebur: 3422 ° C.) digunakan dalam komponen yang menghadap plasma dan elemen pemanas tungku.
Catatan pengaman: Selalu mendesain dengan a margin pengaman Di bawah titik leleh material untuk menghindari pelunakan termal, ketidakstabilan fase, atau kegagalan struktural.
Daur ulang dan pemrosesan sekunder
Dalam operasi daur ulang, itu Titik lebur memberikan parameter kritis untuk memisahkan, pulih, dan memproses ulang logam berharga:
- Paduan aluminium dan seng, dengan titik leleh yang relatif rendah, sangat ideal untuk pemulihan dan remanufaktur hemat energi.
- Sistem penyortiran dapat menggunakan profil termal untuk memisahkan memo logam campuran berdasarkan perilaku leleh yang berbeda.
Aplikasi khusus: Pematerian, Paduan yang fusible, dan sekering termal
Beberapa aplikasi dieksploitasi titik leleh rendah yang dikendalikan dengan tepat untuk desain fungsional:
- Paduan solder (MISALNYA., SN-PB Eutectic at 183 ° C.) dipilih untuk elektronik karena titik leleh yang tajam, meminimalkan tegangan termal pada papan sirkuit.
- Paduan yang fusible seperti logam Wood (~ 70 ° C.) atau logam lapangan (~ 62 ° C.) Sajikan di Cutoff termal, katup pengaman, Dan Aktuator yang peka terhadap suhu.
8. Kesimpulan
Titik lebur bukan hanya masalah termodinamika - mereka secara langsung memengaruhi bagaimana logam dan paduan dirancang, diproses, dan diterapkan dalam pengaturan dunia nyata.
Dari penelitian dasar hingga manufaktur praktis, Memahami perilaku pencairan sangat penting untuk memastikan keandalan, efisiensi, Dan inovasi.
Saat industri mendorong bahan yang lebih maju lingkungan ekstrem, Kemampuan untuk memanipulasi dan mengukur perilaku pencairan dengan presisi akan tetap menjadi landasan rekayasa bahan dan ilmu termofisik.
