今天講一個簡單的技術話題,即鋼的熔點。
所謂鋼的熔點,就是鋼開始從固態轉變為液態時的溫度。在此特定熔點溫度下,鋼的液固兩相處于平衡狀態。因此,需要進一步加熱,才能完成從固體到液體的完全轉變。熔點還受到外部壓力的影響。隨著外部壓力的升高,鋼的熔點會降低。也就是說,在更高壓力下加熱時,鋼將更容易、更迅速地液態化。發生這種情況原因,是因為外部壓力的加大促進并增強了鋼分子的運動及隨后的不穩定性,而這種不穩定性正是液態物質的特征。
如無特別說明,熔點均是指1個大氣壓(100 kPa)外部壓力下的熔點。
- 01 -
分子對稱性
人們很早就意識到熔點和壓強之間有聯系。1882年,托馬斯·卡內利(Thomas Carnelley)在測試了數千種不同的化合物后,成功地將分子的高對稱性與更高的熔點聯系在一起。這是因為,對稱結構可以將分子力擴散到更多相鄰的結點上,并且,結點之間的吸引力(范德華力)更高。時至今日,我們已能夠基于已有的數據集,預測以前從未測試過的合金鋼的熔點。這與鋼的分子結構以及熱振動的振幅如何隨著溫度升高而影響材料的分子結構相對應。另一個可以影響鋼合金和其他金屬熔點的因素,則是鋼中的雜質。
奧氏體(FCC)、鐵素體(BCC)和馬氏體(FCT)不銹鋼的分子結構
- 02 -
為什么熔點很重要?
對于鋼鐵制造商和冶金學家來說,熔點及其范圍是要考慮的重要參數。因為它們可用于確定鍛造,退火(熱處理)和熱成型的工藝。對于現有產業鏈上的產品設計師和其他工程學科而言,熔點幾乎沒有價值。在達到熔點之前,零件的結構完整性將會受到損害。這是因為隨著溫度升高,零件的抗拉強度和剛度都會受到不利影響。
然而,所有的工程師都可以通過測試鋼的熔點范圍,來確定一個鋼梁是否純凈,或者說鋼的純凈度達到什么程度。
由于雜質會引起分子結構方面的缺陷,因此劣質的鋼傾向于表現為較寬的熔點溫度范圍。相反,純凈鋼則具有較窄的熔化溫度范圍。通常,熔點測量法法易于測試,并用于鋼質純凈度的評估。
- 03 -
紐約雙子塔的倒塌
許多人認為,熔點范圍還可以用于法醫學鑒定,用以證明或反駁陰謀論。結構工程師和陰謀論者都花費了大量時間測定紐約雙子塔中所使用的鋼梁的熔點。在這個案例中,雙子塔大量使用的是ASTM A36結構鋼,熔點為1510℃。此外,如果您要問噴氣飛機用燃油的火焰溫度是多少?我可以告訴你,它的溫度約為1000℃,雖然這個溫度不足以使鋼熔化,但仍足以使鋼的強度和剛度明顯減弱。
- 04 -
合金的熔點
鋼是通過冶煉工藝形成的鐵碳合金。通過大量的實驗室研究和開發,我們已經可以創造出更好和更專業的產品,我們通常將鋼與其他元素結合在一起使用,例如:
· 鎳,用于提高鋼的韌性
· 錳,用于提高強度
· 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,無疑會影響合金的各種物理和機械性能,合金鋼的熔點也不例外。此外,產品工程師喜歡使用奧氏體,馬氏體和鐵素體之類的晶體結構表征各種不銹鋼,以便直接從中推斷出不銹鋼的部分性能。
- 05 -
碳含量
通常,鋼中的碳含量越高,其熔點越低。這是因為,更多的碳分子共價結合到鐵分子上,就會更多改變原子層面上的電場。而這影響了分子的排列取向,從而使分子結構變得不那么對稱。結果,分子間的鍵合力減弱,這導致了鋼熔點的降低。根據現有的研究成果,我們大致可以推定,上述鋼中的所有合金元素對熔點的影響都是如此。例如,低合金鋼的中值熔點為1436 ℃,高合金鋼的中值熔點為1415℃。
純鐵(Fe)的熔點為1535℃,因此,合金化會降低其熔點溫度范圍。鉻和鉬是少數幾個例外,因為它們的存在,實際上會提高合金鋼的熔化溫度。但是,這仍然取決于許多其他因素,因此這不是絕對的。
文末福利是常用不銹鋼的熔化溫度范圍表:
