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钢的熔点及其意义【科普】常用不锈钢的熔化温度范围

今天讲一个简单的技术话题,即钢的熔点。

 

所谓钢的熔点,就是钢开始从固态转变为液态时的温度。在此特定熔点温度下,钢的液固两相处于平衡状态。因此,需要进一步加热,才能完成从固体到液体的完全转变。熔点还受到外部压力的影响。随着外部压力的升高,钢的熔点会降低。也就是说,在更高压力下加热时,钢将更容易、更迅速地液态化。发生这种情况原因,是因为外部压力的加大促进并增强了钢分子的运动及随后的不稳定性,而这种不稳定性正是液态物质的特征。

 

如无特别说明,熔点均是指1个大气压(100 kPa)外部压力下的熔点。


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分子对称性

人们很早就意识到熔点和压强之间有联系。1882年,托马斯·卡内利(Thomas Carnelley)在测试了数千种不同的化合物后,成功地将分子的高对称性与更高的熔点联系在一起。这是因为,对称结构可以将分子力扩散到更多相邻的结点上,并且,结点之间的吸引力(范德华力)更高。时至今日,我们已能够基于已有的数据集,预测以前从未测试过的合金钢的熔点。这与钢的分子结构以及热振动的振幅如何随着温度升高而影响材料的分子结构相对应。另一个可以影响钢合金和其他金属熔点的因素,则是钢中的杂质。

奥氏体(FCC)、铁素体(BCC)和马氏体(FCT)不锈钢的分子结构


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为什么熔点很重要?

对于钢铁制造商和冶金学家来说,熔点及其范围是要考虑的重要参数。因为它们可用于确定锻造,退火(热处理)和热成型的工艺。对于现有产业链上的产品设计师和其他工程学科而言,熔点几乎没有价值。在达到熔点之前,零件的结构完整性将会受到损害。这是因为随着温度升高,零件的抗拉强度和刚度都会受到不利影响。

 

然而,所有的工程师都可以通过测试钢的熔点范围,来确定一个钢梁是否纯净,或者说钢的纯净度达到什么程度。

 

由于杂质会引起分子结构方面的缺陷,因此劣质的钢倾向于表现为较宽的熔点温度范围。相反,纯净钢则具有较窄的熔化温度范围。通常,熔点测量法法易于测试,并用于钢质纯净度的评估。

 

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纽约双子塔的倒塌

许多人认为,熔点范围还可以用于法医学鉴定,用以证明或反驳阴谋论。结构工程师和阴谋论者都花费了大量时间测定纽约双子塔中所使用的钢梁的熔点。在这个案例中,双子塔大量使用的是ASTM A36结构钢,熔点为1510℃。此外,如果您要问喷气飞机用燃油的火焰温度是多少?我可以告诉你,它的温度约为1000℃,虽然这个温度不足以使钢熔化,但仍足以使钢的强度和刚度明显减弱。


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合金的熔点

钢是通过冶炼工艺形成的铁碳合金。通过大量的实验室研究和开发,我们已经可以创造出更好和更专业的产品,我们通常将钢与其他元素结合在一起使用,例如:

· 镍,用于提高钢的韧性

· 锰,用于提高强度

· 铬和钨或钛,用于提高钢的硬度

· 钒,使钢具有较好的抗疲劳性

· 钼和铬,使钢具有耐蚀性。

 

添加这些元素,无疑会影响合金的各种物理和机械性能,合金钢的熔点也不例外。此外,产品工程师喜欢使用奥氏体,马氏体和铁素体之类的晶体结构表征各种不锈钢,以便直接从中推断出不锈钢的部分性能。


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碳含量

通常,钢中的碳含量越高,其熔点越低。这是因为,更多的碳分子共价结合到铁分子上,就会更多改变原子层面上的电场。而这影响了分子的排列取向,从而使分子结构变得不那么对称。结果,分子间的键合力减弱,这导致了钢熔点的降低。根据现有的研究成果,我们大致可以推定,上述钢中的所有合金元素对熔点的影响都是如此。例如,低合金钢的中值熔点为1436 ℃,高合金钢的中值熔点为1415℃。

 

纯铁(Fe)的熔点为1535℃,因此,合金化会降低其熔点温度范围。铬和钼是少数几个例外,因为它们的存在,实际上会提高合金钢的熔化温度。但是,这仍然取决于许多其他因素,因此这不是绝对的。

 

文末福利是常用不锈钢的熔化温度范围表:

 


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