Плавление материалов

Основные понятия, термины, определения

Температура плавления (Тпл) - параметр состояния твердого тела, характеризующий границу его устойчивости. Другими словами, это температура равновесного фазового перехода твердого тела в жидкость при постоянном внешнем давлении.

Наличие определенной температуры плавления - важный признак кристаллического строения тел. По этому признаку их легко отличить от аморфных твердых тел, не имеющих фиксированной температуры плавления.

Механизм плавления твердого тела

Механизм перехода твердого тела в жидкость можно объяснить изменением энергетического состояния твердого тела при нагревании. При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия (амплитуда) колебаний его атомов, что приводит к повышению температуры и способствует возникновению в кристалле различных дефектов. Постепенный рост числа дефектов и их скопление характеризуют стадию "предплавления" (рис. 4.4.). С Достижением температуры плавления в кристалле создается критическая концентрация дефектов.

Начинается плавление, т.е. кристаллическая решетка распадается на легкоподвижные субмикроскопические фрагменты. Подводимая в этот период теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей и нарушение в кристалле дальнего порядка. Когда этот процесс завершится, твердое тело полностью превратится в жидкость. Температура, при которой возникает такое явление, есть температура плавления.

С точки зрения термодинамики, при температуре плавления достигается равновесное состояние, т.е. состояние, при котором выравниваются энергии Гиббса твердой и жидкой фаз.

Рис. 4.4. Стадии фазового перехода твердого тела в жидкость при

нагревании

Для обычных условий, без учета сверхвысоких давлений, также влияющих на Тт, следует считать температуру плавления одной из характеристических констант вещества.

Состав и температура плавления

Поскольку строительное материаловедение в основном рассматривает поликристаллические тела и сложные кристаллы, вызывает интерес влияние составляющих компонентов на температуру их плавления.

Это влияние представляется многофакторным и чрезвычайно сложным, так как при нагревании и плавлении даже простейшей двухкомпонентной системы необходимо рассматривать следующие возможные варианты:

-постоянство  состава  при  фазовом  переходе  (конгруэнтное
плавление);

-образование нового соединения (инконгруэнтное плавление);

- разложение;

- образование твердых растворов, т.е. изоморфных смесей смешанных кристаллов;

- проявление полиморфизма одним или всеми компонентами.

Вещественный состав и температура плавления. Различные химические соединения имеют разную температуру плавления, что вполне очевидно. Однако во многих случаях прослеживается определенная закономерность изменения температуры плавления в зависимости от типа соединений. Так, для соединений одних и тех же металлов температура плавления повышается в последовательности металлы < оксиды < нитриды < карбиды и т.д.

Такую закономерность можно объяснить различием у этих соединений типов химических связей и слабостью или прочностью их структуры (табл. 4.5.).

Тип химической связи и температура плавления материала

Этот фактор является основным при определении порядка (уровня) температуры плавления различных веществ и соединений. Отмечена тенденция повышения температуры плавления с усилением химических связей в следующем порядке:

молекулярные кристаллы < кристаллы с металлической связью < ионные кристаллы <кристаллы с ковалентной связью.

Низкая температура плавления молекулярных кристаллов, к которым можно отнести органические полимеры, объясняется тем, что, несмотря на ковалентный тип связи между частицами, образующими молекулы, межмолекулярное взаимодействие осуществляется слабыми ван-дер-ваальсовыми силами (табл. 4.4.).

Таблица 4.5. Взаимосвязь тип соединения - тип химической связи – температура плавления

Структура твердого тела и температура плавления

Напомним, что структура есть результат совокупного действия химических связей, обеспечивающих единое целое. Поэтому прочность структуры твердого тела зависит от прочности химических связей, так же, как прочность здания зависит от того, из каких кирпичиков оно построено и каким раствором связаны эти кирпичики.

У различных групп веществ и соединений для создания оптимальной структуры имеются определенные условия и особенности. Так, для класса оксидов металлов одной и той же группы или с одинаковой валентностью металла можно отметить следующие особенности:

-  температура плавления оксида тем выше, чем выше координационное число (к.ч.) катиона;

-  температура плавления оксида снижается по мере уменьшения к.ч. металла по отношению к кислороду;

-  температура плавления оксида снижается при уменьшении к.ч. кислорода при неизменном к.ч. ионов металла, равном 6 (пример: к.ч. MgO (2800°С) > к.ч. А12О3(2050°С) > к.ч. ТiO2(1840°С);

-  температура плавления оксида тем выше, чем выше плотность
упаковки ионов (т.е. выше к.ч. ионов) и выше прочность химической
связи.

Взаимосвязь "температура плавления - тепловое расширение "

Анализ механизмов теплового расширения и плавления, а также влияния на них состава, химических связей и структуры тела выяв ляет в указанных процессах много общего. Особенно это относится к влиянию типа химической связи и ее прочности на интенсивность и результат рассматриваемых процессов.

С увеличением прочности химической связи КТР тел уменьшается (см. табл. 4.3), а их температура плавления растет (см. табл.4.8). Эта взаимосвязь свидетельствует о том, что температура плавления может служить косвенной характеристикой процесса теплового расширения кристаллических тел.