1. 介绍
材料的熔点 - 定义为在标准大气压下从固体过渡到液体的温度 - 是材料科学中的基本特性.
该值不仅确定金属或合金的加工方法，而且还会影响其对特定环境和应用的适用性.
准确的熔点数据对于安全有效的设计至关重要, 材料选择, 以及各种行业的过程优化 - 从航空航天和汽车到电子和能源.
本文探讨了纯属金属和商业合金的熔融行为, 由关键数据表支持, 讨论有影响力的因素, 和现代测量技术.
2. 熔化行为的基本原理
热力学基础
熔化由 热力学平衡, 固相的吉布斯自由能等于液体的.
在熔化过程中, 材料吸收 融合的潜热 没有温度变化，直到整个结构过渡到液态.
晶体结构和粘结
晶体结构对熔融温度有深远的影响. 例如:
- FCC (以面部为中心的立方体) 金属, 例如铝和铜, 由于原子较密集，但粘合能较低，其熔点相对较低.
- BCC (以身体为中心的立方体) 铁和铬等金属通常由于较强的原子键和更高的晶格稳定性而表现出更高的熔点.
合金中的熔融行为
与纯物质不同, 合金通常没有锐利的熔点. 反而, 他们展示一个 融化范围, 由 实心 (熔化的发作) 和 液体 (完整的熔化) 温度.
了解这些范围在冶金中至关重要，并且经常通过 二进制和三元相图.
3. 纯金的熔点
纯属金属的熔点是良好的，并充当行业和学术界的参考价值.
下表列出了整个摄氏的通用工程金属的熔点 (°C), 华氏 (°f), 和开尔文 (k):
关键金属的熔点
| 金属 | 熔点 (°C) | (°f) | (k) |
|---|---|---|---|
| 铝 (al) | 660.3 | 1220.5 | 933.5 |
| 铜 (铜) | 1085 | 1985 | 1358 |
| 铁 (铁) | 1538 | 2800 | 1811 |
| 镍 (在) | 1455 | 2651 | 1728 |
| 钢 (碳) | 1425–1540 | 2600–2800 | (取决于成绩) |
| 钛 (的) | 1668 | 3034 | 1941 |
| 锌 (Zn) | 419.5 | 787.1 | 692.6 |
| 带领 (pb) | 327.5 | 621.5 | 600.7 |
| 锡 (sn) | 231.9 | 449.4 | 505.1 |
| 银 (Ag) | 961.8 | 1763.2 | 1234.9 |
| 金子 (au) | 1064.2 | 1947.6 | 1337.4 |
其他重要的纯属金属的熔点
| 金属 | 熔点 (°C) | (°f) | (k) |
|---|---|---|---|
| 铬 (Cr) | 1907 | 3465 | 2180 |
| 钼 (莫) | 2623 | 4753 | 2896 |
| 钨 (w) | 3422 | 6192 | 3695 |
| 坦塔尔 (面对) | 3017 | 5463 | 3290 |
| 铂 (pt) | 1768 | 3214 | 2041 |
| 钯 (PD) | 1555 | 2831 | 1828 |
| 钴 (公司) | 1495 | 2723 | 1768 |
| 锌 (Zn) | 419.5 | 787.1 | 692.6 |
| 镁 (毫克) | 650 | 1202 | 923 |
| 铋 (双) | 271 | 520 | 544 |
| 铟 (在) | 157 | 315 | 430 |
| 汞 (HG) | –38.83 | –37.89 | 234.32 |
| 锂 (李) | 180.5 | 356.9 | 453.7 |
| 铀 (你) | 1132 | 2070 | 1405 |
| 锆 (ZR) | 1855 | 3371 | 2128 |
4. 普通合金的熔点
实践, 大多数工程材料不是纯金，而是合金. 这些组合通常融化 范围 由于多个阶段不同.
普通合金及其融化范围
| 合金名称 | 融化范围 (°C) | (°f) | (k) |
|---|---|---|---|
| 铝 6061 | 582–652°C | 1080–1206°F | 855–925k |
| 铝 7075 | 477–635°C | 891–1175°F | 750–908K |
| 黄铜 (黄色的, 70/30) | 900–940°C | 1652–1724°F | 1173–1213K |
| 红色黄铜 (85有15zn) | 960–1010°C | 1760–1850°F | 1233–1283K |
| 青铜 (与sn) | 850–1000°C | 1562–1832°F | 1123–1273K |
| 青铜 (Cu-Sn-Zn) | 900–1025°C | 1652–1877°F | 1173–1298K |
| 杯子 (70/30) | 1170–1240°C | 2138–2264°F | 1443–1513k |
| 莫内尔 (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 |
| 不锈钢 304 | 1400–1450°C | 2552–2642°F | 1673–1723K |
| 不锈钢 316 | 1375–1400°C | 2507–2552°F | 1648–1673K |
| 碳钢 (温和的) | 1425–1540°C | 2597–2804°F | 1698–1813k |
| 工具钢 (AISI D2) | 1420–1540°C | 2588–2804°F | 1693–1813k |
| 延性铁 | 1140–1200°C | 2084–2192°F | 1413–1473K |
| 铸铁 (灰色的) | 1150–1300°C | 2102–2372°F | 1423–1573K |
| 钛合金 (ti -6al -4V) | 1604–1660°C | 2919–3020°F | 1877–1933k |
| 锻铁 | 1480–1565°C | 2696–2849°F | 1753–1838k |
| 焊接 (SN63PB37) | 183 °C (共晶) | 361 °f | 456 k |
| 巴比特金属 | 245–370°C | 473–698°F | 518–643K |
| 负载 3 (Zn-Al合金) | 380–390°C | 716–734°F | 653–663K |
| 壁画 (ni-cr-fe) | 1350–1400°C | 2462–2552°F | 1623–1673K |
| 场的金属 | 62 °C | 144 °f | 335 k |
| 伍德的金属 | 70 °C | 158 °f | 343 k |
5. 影响熔点的因素
金属或合金的熔点不是仅由其元素组成决定的固定值.
这是涉及复杂互动的结果 原子结构, 化学键合, 微观结构, 外部压力, 和杂质.
合金元素的效果
改变熔化行为的最重要因素之一是存在 合金元素.
这些元素破坏了金属晶格的规律性, 根据其性质和与碱金属的相互作用，提高或降低熔点.
- 钢中的碳: 铁中碳含量的增加显着降低了固体温度.
纯铁在〜1538°C下熔化, 但是碳钢开始融化 1425 °C由于碳化铁的形成. - 硅 (和): 经常添加到铸铁和铝合金中, 硅可以 增加 纯铝的熔点，但倾向于将其部分混合物降低.
- 铬 (Cr), 镍 (在): 在不锈钢中, 这些合金元素 稳定微观结构 并可能影响熔融行为.
例如, 304 由于其不锈钢在1400–1450°C的范围内融化 18% Cr和 8% ni内容. - 铜 (铜) 和锌 (Zn): 在黄铜, 铜: 锌比决定了熔点. 较高的Zn含量可降低熔点并提高可铸性, 但可能会影响力量.
微结构特征
微观结构（尤其是晶粒尺寸和相位分布）对金属的熔化行为有微妙但有影响力的影响:
- 粒度: 较细的谷物可以稍微降低由于晶界面积增加而引起的明显熔点, 比谷物本身更早融化.
- 第二阶段/夹杂物: 沉淀 (例如。, 碳化物, 硝酸盐) 和非金属包裹物 (例如。, 氧化物或硫化物) 可能在较低的温度下融化或反应,
引起 当地液化 并在焊接或锻造过程中降低机械完整性.
杂质和痕量元素
即使少量杂质（不到0.1％）也可以改变金属的熔化行为:
- 钢中的硫和磷: 这些元素形成低融合点的共晶, 哪个 削弱晶界 并降低热工作能力.
- 钛或铝中的氧气: 诸如O之类的间质杂质, n, 或H可以伸出材料， 缩小熔点, 导致铸造或烧结过程的破裂.
环境和压力效应
熔点也是一个 外部条件的功能, 特别是压力:
- 高压效应: 增加外部压力通常会增加熔点, 由于原子难以克服晶格能.
这在地球物理研究和真空融化中尤其重要. - 真空或受控气氛: 钛和锆在空气中的高温时氧化.
必须在下面进行熔化 真空气或惰性气体 (氩气) 防止污染并保持合金纯度.
晶体结构和粘结
晶格内的原子布置和键合能量是熔化行为的基础:
- 以身体为中心的立方体 (BCC) 金属: 铁 (铁), 铬 (Cr), 和钼 (莫) 由于强烈的原子堆积和较高的粘结能而显示出高熔点.
- 以面部为中心的立方体 (FCC) 金属: 铝 (al), 铜 (铜), 和镍 (在) 还显示出明显的熔点，但通常低于类似原子重量的BCC金属.
- 六角形封闭 (HCP): 由于各向异性粘结行为，钛和锌在较低的温度下熔化的金属等金属熔化.
摘要表: 因素及其典型影响
| 因素 | 对熔点的影响 | 例子 |
|---|---|---|
| 碳含量 (在钢中) | ↓降低固相温度 | 钢熔体比纯铁低约100°C |
| 硅含量 | ↑提高或↓降低，具体取决于矩阵/合金 | Al-Si合金融化低于纯Al |
| 粒度 | ↓细晶粒可能会稍微降低明显的熔点 | 细颗粒的Ni合金更均匀地融化 |
| 杂质 | ↓促进早期液化和局部融化 | 钢中的S和P可降低热可加工性 |
| 压力 | ↑更高的压力增加熔点 | 用于高压烧结过程 |
| 结合 & 晶体结构 | ↑较强的键=更高的熔点 | 莫 > CU由于BCC晶格更强 |
6. 测量技术和标准
在材料工程中了解金属和合金的熔点和合金的精度至关重要, 特别是对于涉及铸造的申请, 焊接, 锻造, 和热设计.
然而, 测量熔点并不像看起来那样简单, 特别是对于在范围内融化而不是单点融化的复杂合金.
本节探讨了最广泛接受的测量技术, 标准协议, 以及可靠的熔点数据的关键注意事项.
差异扫描量热法 (DSC)
差扫描量热法是确定金属和合金熔点的最精确和广泛使用的方法之一.
- 工作原理: 与受控条件下的参考相比，DSC测量升高样品温度所需的热流.
- 输出: 该乐器产生曲线显示 吸热峰 在熔点. 对于合金, 它揭示了 实心 和 液体 温度.
- 申请: 通常用于铝合金, 焊接合金, 贵金属, 和高级材料，例如形状记忆合金.
例子: 在AL-SI合金的DSC测试中, 融化的开始 (实心) 发生在〜577°C, 同时完成液化 (液体) 在〜615°C下完成.
通过DTA和TGA进行热分析
差分热分析 (DTA)
DTA与DSC相似，但专注于 温度差 而不是热流.
- 广泛用于研究 相变 和熔化的反应.
- DTA在需要更高温度范围的环境中脱颖而出, 例如测试超合金和陶瓷.
热重分析 (TGA)
虽然不是直接用于熔点确定, TGA有助于评估 氧化, 分解, 和 蒸发 这可能会影响高温下的熔融行为.
高温熔炉的视觉观察
对于钢等传统金属, 铜, 和钛, 通常在视觉上观察到熔点 光学上的高温法 或者 高温显微镜熔炉:
- 程序: 在监控其表面时，将样品在受控炉中加热. 通过表面塌陷观察到熔化, 润湿, 或珠形成.
- 准确性: 不如DSC精确，但仍在工业环境中广泛用于质量控制.
笔记: 此方法仍然是需要快速合金筛选的铸造厂中的标准配置, 特别是针对自定义配方.
标准和校准协议
确保一致且全球接受的结果, 熔点测试必须遵守 国际标准, 包括:
| 标准 | 描述 |
|---|---|
| ASTM E794 | 通过热分析熔化和结晶的标准测试方法 |
| ASTM E1392 | DSC校准的指南，使用纯金属等纯金属, 锌, 和黄金 |
| ISO 11357 | 用于聚合物和金属热分析的系列, 包括DSC方法 |
| 从 51004 | DTA确定熔化行为的德国标准 |
校准 对于准确的结果至关重要:
- 具有已知熔点的纯参考金属 (例如。, 铟: 156.6 °C, 锡: 231.9 °C, 金子: 1064 °C) 用于校准热分析仪器.
- 必须定期执行校准才能纠正 漂移 并确保一致的准确性, 特别是在测量上面的材料时 1200 °C.
熔点测量中的实际挑战
几个因素会使熔点测试复杂化:
- 氧化: 铝和镁等金属在高温下很容易氧化, 影响传热和准确性. 保护气氛 (例如。, 氩气, 氮) 或真空室是必不可少的.
- 样品同质性: 可能表现出不均匀的合金 广泛的熔融范围, 需要仔细的采样和多次测试.
- 过热或不足: 在动态测试中, 样本可以 过冲或不足 由于热滞后或导热率不良引起的真实熔点.
- 小样本效应: 在冶金或纳米级材料中, 小粒径可以减少由于表面能量增加而减少熔点.
7. 熔点数据的工业处理和应用
本节探讨熔融行为如何为关键工业流程和应用提供信息, 同时突出现代行业的特定用例.
铸造和金属形成
熔点数据的最直接应用之一在于 金属铸造 和 形成过程, 在哪里 固体到液的过渡温度 确定加热要求, 模具设计, 和冷却策略.
- 低熔金属 (例如。, 铝: 〜660°C, 锌: 〜420°C) 非常适合大批量 铸造, 提供快速的周期时间和低能成本.
- 高融化材料 像钢 (1425–1540°C) 和钛 (1668 °C) 要求 难治性模具 和 精确的热控制 避免表面缺陷和不完整填充.
例子: 在涡轮刀片的投资铸造中 718 (〜1350–1400°C), 精确的熔化和凝固控制对于实现微结构完整性和机械可靠性至关重要.
焊接和铜管
焊接涉及 局部熔化 金属创造强大的金属, 永久关节. 准确的熔点数据对于选择至关重要:
- 填充金属 融化略低于碱金属
- 焊接温度 预防谷物生长或残留应力
- 铜合金, 例如银基焊料, 融化在600–800°C之间，用于连接组件而不熔化基础
洞察力: 不锈钢 (304) 熔融范围约为1400–1450°C. 在TIG焊接中, 这会导致选择屏蔽气体的选择 (氩/氦), 填充杆, 和当前水平.
粉状冶金和添加剂制造
熔点还控制着先进的制造技术 粉状冶金 (下午) 和 金属添加剂制造 (是), 在哪里 热轮廓 直接影响零件质量.
- 在 下午烧结, 金属在其熔点下方加热 (例如。, 铁在〜1120–1180°C处) 通过扩散而无需液化键.
- 在 激光粉床融合 (LPBF), 熔点确定 激光电源设置, 扫描速度, 和 层粘附.
案例研究: 用于TI-6AL-4V (融化范围: 1604–1660°C), 添加剂制造需要受控的预热以减轻剩余压力并避免翘曲.
高温组件设计
在高性能领域 航天, 发电, 和 化学处理, 组件必须在高温下保持机械强度.
因此, 熔点是 筛选阈值 用于材料选择.
- 基于镍的超级合金 (例如。, inconel, Hastelloy) 由于其高融化范围，用于涡轮刀片和喷气发动机 (1300–1400°C) 和抗蠕变.
- 难治金属 像钨 (熔点: 3422 °C) 用于面向等离子体的组件和炉加热元件.
安全说明: 总是用一个 安全利润 材料的熔点下方以避免热软化, 相位不稳定性, 或结构性故障.
回收和次要处理
在回收操作中, 这 熔点提供了关键参数 分开, 恢复, 并重新处理有价值的金属:
- 铝和锌合金, 他们的熔点相对较低, 非常适合节能再效果和再制造.
- 排序系统 可以使用热谱分析基于独特的熔融行为将混合金属废品隔离.
特殊应用: 焊接, 易熔合金, 和热保险丝
一些应用程序利用 精确控制的低熔点 为了 功能设计:
- 焊接合金 (例如。, sn-pb共晶 183 °C) 由于其鲜明的熔点而被选择用于电子设备, 最小化电路板上的热应力.
- 易熔合金 像伍德的金属 (〜70°C) 或菲尔德的金属 (〜62°C) 服务 热截止, 安全阀, 和 温度敏感的致动器.
8. 结论
熔点不仅是热力学的问题 - 它们直接影响金属和合金的设计方式, 处理, 并应用于现实世界的设置.
从基础研究到实用制造, 了解熔化行为对于确保 可靠性, 效率, 和 创新.
随着行业推动更先进的材料 极端环境, 精确地操纵和测量熔融行为的能力将是材料工程和热物理科学的基石.
