Плавление чистых металлов

Нагрев металлов выше температуры плавления приводит к переходу твердого состояния в жидкое состояние. Теплота нагрева расходуется на разрыв межатомных связей и разрушение кристаллической решетки, поэтому температура определенное время не повышается и на кривой нагрева фиксируется площадка при температуре Т₀ (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Кривая нагревания чистого металла.

При плавлении нет перегрева выше температуры Т₀ , что объясняется тем, что образование зародыша жидкости в виде тонкого участка на поверхности кристалла вместо одной поверхности раздела кристалл–газ дает две поверхности раздела: кристалл–жидкость и жидкость–газ. Образование двух поверхностей раздела вместо одной энергетически выгодно, т.к. удельная энергия поверхности кристалл–газ всегда больше, чем удельная энергия поверхности кристалл–жидкость и жидкость–газ, т.е. выполняется условие

Рассмотрим строение жидкого металла. Еще недавно полагали, что в жидком состоянии атомы металла располагаются хаотически. Это приводило к отождествлению жидкого металла с газообразным состоянием.

На основании проведения тонких методов исследования жидких металлов было показано, что строение жидкого металла гораздо ближе к твердому состоянию, чем к газу. В жидком состоянии, как и в твердом металле, наблюдается тенденция к правильному расположению атомов. Каждый атом окружен определенным числом ближайших атомов, зависящих от природы металла и температуры. Однако вследствие интенсивного теплового движения часть атомов теряется данной группой атомов (кластер) и присоединяется к другой, причем процесс обмена атомами между группами протекает непрерывно, а ориентация групп атомов в пространстве постоянно изменяется и не подчиняется каким-либо закономерностям.

При плавлении металла происходит заметное увеличение объема (на 2–6 %), как показано в табл. 2.1. Однако этот рост не является следствием только равномерного увеличения междуатомных расстояний. Как указывает Я.И. Френкель, жидкость состоит из областей, которые имеют порядок, относительно близкий к имеющемуся в твердом теле, и расширенных областей, т.е. разрывов или трещинок, которые возникают то здесь, то там и сразу же залечиваются.

Таблица 2.1

Изменение объема при плавлении и координационные числа Z вблизи температуры плавления металлов.

Такое разделение всего объема жидкого металла на группы и геометрически правильное строение внутри них называют термином – ближний порядок. Регулярное расположение атомов во всем объеме металла, присущее твердому телу, называется дальним порядком.

Координационные числа Z жидких металлов вблизи температуры плавления представлены в табл. 2.1. У меди, алюминия и никеля с плотной упаковкой атомов в кристаллическом состоянии (решетка ГЦК) при плавлении Z уменьшается. С ростом температуры расплава Z уменьшается, а ближний прядок постепенно размывается.

Таким образом, при оценке характера состояния дефектов кристаллического строения расплавленных металлов, можно говорить о том, что в жидкости сохраняется только ближний порядок, а дальний порядок нарушается полностью в процессе плавления.