今天講一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)話題,即鋼的熔點(diǎn)。
所謂鋼的熔點(diǎn),就是鋼開始從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的溫度。在此特定熔點(diǎn)溫度下,鋼的液固兩相處于平衡狀態(tài)。因此,需要進(jìn)一步加熱,才能完成從固體到液體的完全轉(zhuǎn)變。熔點(diǎn)還受到外部壓力的影響。隨著外部壓力的升高,鋼的熔點(diǎn)會(huì)降低。也就是說,在更高壓力下加熱時(shí),鋼將更容易、更迅速地液態(tài)化。發(fā)生這種情況原因,是因?yàn)橥獠繅毫Φ募哟蟠龠M(jìn)并增強(qiáng)了鋼分子的運(yùn)動(dòng)及隨后的不穩(wěn)定性,而這種不穩(wěn)定性正是液態(tài)物質(zhì)的特征。
如無特別說明,熔點(diǎn)均是指1個(gè)大氣壓(100 kPa)外部壓力下的熔點(diǎn)。
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分子對(duì)稱性
人們很早就意識(shí)到熔點(diǎn)和壓強(qiáng)之間有聯(lián)系。1882年,托馬斯·卡內(nèi)利(Thomas Carnelley)在測(cè)試了數(shù)千種不同的化合物后,成功地將分子的高對(duì)稱性與更高的熔點(diǎn)聯(lián)系在一起。這是因?yàn)?對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以將分子力擴(kuò)散到更多相鄰的結(jié)點(diǎn)上,并且,結(jié)點(diǎn)之間的吸引力(范德華力)更高。時(shí)至今日,我們已能夠基于已有的數(shù)據(jù)集,預(yù)測(cè)以前從未測(cè)試過的合金鋼的熔點(diǎn)。這與鋼的分子結(jié)構(gòu)以及熱振動(dòng)的振幅如何隨著溫度升高而影響材料的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。另一個(gè)可以影響鋼合金和其他金屬熔點(diǎn)的因素,則是鋼中的雜質(zhì)。
奧氏體(FCC)、鐵素體(BCC)和馬氏體(FCT)不銹鋼的分子結(jié)構(gòu)
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為什么熔點(diǎn)很重要?
對(duì)于鋼鐵制造商和冶金學(xué)家來說,熔點(diǎn)及其范圍是要考慮的重要參數(shù)。因?yàn)樗鼈兛捎糜诖_定鍛造,退火(熱處理)和熱成型的工藝。對(duì)于現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和其他工程學(xué)科而言,熔點(diǎn)幾乎沒有價(jià)值。在達(dá)到熔點(diǎn)之前,零件的結(jié)構(gòu)完整性將會(huì)受到損害。這是因?yàn)殡S著溫度升高,零件的抗拉強(qiáng)度和剛度都會(huì)受到不利影響。
然而,所有的工程師都可以通過測(cè)試鋼的熔點(diǎn)范圍,來確定一個(gè)鋼梁是否純凈,或者說鋼的純凈度達(dá)到什么程度。
由于雜質(zhì)會(huì)引起分子結(jié)構(gòu)方面的缺陷,因此劣質(zhì)的鋼傾向于表現(xiàn)為較寬的熔點(diǎn)溫度范圍。相反,純凈鋼則具有較窄的熔化溫度范圍。通常,熔點(diǎn)測(cè)量法法易于測(cè)試,并用于鋼質(zhì)純凈度的評(píng)估。
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紐約雙子塔的倒塌
許多人認(rèn)為,熔點(diǎn)范圍還可以用于法醫(yī)學(xué)鑒定,用以證明或反駁陰謀論。結(jié)構(gòu)工程師和陰謀論者都花費(fèi)了大量時(shí)間測(cè)定紐約雙子塔中所使用的鋼梁的熔點(diǎn)。在這個(gè)案例中,雙子塔大量使用的是ASTM A36結(jié)構(gòu)鋼,熔點(diǎn)為1510℃。此外,如果您要問噴氣飛機(jī)用燃油的火焰溫度是多少?我可以告訴你,它的溫度約為1000℃,雖然這個(gè)溫度不足以使鋼熔化,但仍足以使鋼的強(qiáng)度和剛度明顯減弱。
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合金的熔點(diǎn)
鋼是通過冶煉工藝形成的鐵碳合金。通過大量的實(shí)驗(yàn)室研究和開發(fā),我們已經(jīng)可以創(chuàng)造出更好和更專業(yè)的產(chǎn)品,我們通常將鋼與其他元素結(jié)合在一起使用,例如:
· 鎳,用于提高鋼的韌性
· 錳,用于提高強(qiáng)度
· 鉻和鎢或鈦,用于提高鋼的硬度
· 釩,使鋼具有較好的抗疲勞性
· 鉬和鉻,使鋼具有耐蝕性。
添加這些元素,無疑會(huì)影響合金的各種物理和機(jī)械性能,合金鋼的熔點(diǎn)也不例外。此外,產(chǎn)品工程師喜歡使用奧氏體,馬氏體和鐵素體之類的晶體結(jié)構(gòu)表征各種不銹鋼,以便直接從中推斷出不銹鋼的部分性能。
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碳含量
通常,鋼中的碳含量越高,其熔點(diǎn)越低。這是因?yàn)?更多的碳分子共價(jià)結(jié)合到鐵分子上,就會(huì)更多改變?cè)訉用嫔系碾妶?chǎng)。而這影響了分子的排列取向,從而使分子結(jié)構(gòu)變得不那么對(duì)稱。結(jié)果,分子間的鍵合力減弱,這導(dǎo)致了鋼熔點(diǎn)的降低。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,我們大致可以推定,上述鋼中的所有合金元素對(duì)熔點(diǎn)的影響都是如此。例如,低合金鋼的中值熔點(diǎn)為1436 ℃,高合金鋼的中值熔點(diǎn)為1415℃。
純鐵(Fe)的熔點(diǎn)為1535℃,因此,合金化會(huì)降低其熔點(diǎn)溫度范圍。鉻和鉬是少數(shù)幾個(gè)例外,因?yàn)樗鼈兊拇嬖?實(shí)際上會(huì)提高合金鋼的熔化溫度。但是,這仍然取決于許多其他因素,因此這不是絕對(duì)的。
文末福利是常用不銹鋼的熔化溫度范圍表:
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