Плотность. Это - одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. по плотности металлы делятся на следующие группы:
легкие (плотность не более 5 г/см 3) - магний, алюминий, титан и др.:
тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа);
очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др.
В таблице 2 приведен значения плотности металлов. (Это и последующие таблицы характеризуют свойства тех металлов, которые составляют основу сплавов для художественного литья).
Таблица 2. Плотность металла.
Температура плавления. В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы:
легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) - цинк, олово, свинец, висмут и др.;
среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото;
тугоплавкие (более 1600 o С) - вольфрам, молибден, титан, хром и др.
Ртуть относится к жидкостям.
При изготовлении художественных отливок температура плавления металла или сплава определяет выбор плавильного агрегата и огнеупорного формовочного материала. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.
Таблица 3. Температура плавления и кипения металлов.
Удельная теплоемкость. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы массы на один градус. Удельная теплоемкость уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Зависимость удельной теплоемкости элемента в твердом состоянии от атомной массы описывается приближенно законом Дюлонга и Пти:
m a c m = 6.
где, m a - атомная масса; c m - удельная теплоемкость (Дж/кг * o С).
В таблице 4 приведены значения удельной теплоемкости некоторых металлов.
Таблица 4. Удельная теплоемкость металлов.
Скрытая теплота плавления металлов. Это характеристика (таблица 5) наряду с удельной теплоемкости металлов в значительной степени определяет необходимую мощность плавильного агрегата. Для расплавления легкоплавкого металла иногда требуется больше тепловой энергии, чем для тугоплавкого. Например, для нагревания меди от 20 до 1133 o С потребуется в полтора раза меньше тепловой энергии, чем для нагревания такого же количества алюминия от 20 до 710 o C.
Таблица 5. Скрытая теплота металла
Теплоемкость. Теплоемкость характеризует передачу тепловой энергии от оной части тела к другой, а точнее, молекулярной перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. (таблица 6)
Таблица 6. Коэффициент теплопроводности металлов при 20 o С
Качество художественного литья тесно связано с теплопроводностью металла. В процессе выплавке важно не только обеспечить достаточно высокую температуру металла, но и добиться равномерного распределения температуры во всем объеме жидкой ванны. Чем выше теплопроводность, тем равномернее распределена температура. При электродуговой плавке, несмотря на высокую теплопроводность большинства металлов, перепад температуры по сечению ванны достигает 70-80 o С, а для металла с низкой теплопроводностью этот перепад может достигать 200 o С и более.
Благоприятные условия для выравнивания температуры создаются при индукционной плавке.
Коэффициент теплового расширения . Эта величина, характеризующая изменение размеров образца длиной 1 м при нагревании на 1 o С, имеет важное значение при эмальерных работах (таблица 7)
Коэффициенты теплового расширения металлической основы и эмали должны иметь по возможности близкие значения, чтобы после обжига эмаль не растрескивалась. Большинство эмалей, представляющих твердый коэффициент оксидов кремния и других элементов, имеют низкий коэффициент теплового расширения. Как показала практика, эмали очень хорошо держаться на железе, золоте, менее прочно - на меди и серебре. Можно полагать, что титан - весьма подходящий материал для эмалирования.
Таблица 7. Коэффициент теплового расширения металлов.
Отражательная способность. Это - способность металла отражать световые волны определенной длины, которая воспринимает человеческим глазом как цвет (таблице 8). Цвета металла указаны в таблице 9.
Таблица 8. Соответствие между цветом и длиной волны.
Таблица 9. Цвета металлов.
Чистые металлы в декоративно-прикладном искусстве практически не применяются. Для изготовления различных изделий используют сплавы, цветовые характеристики которых значительно отличаются от цвета основного металла.
В течении долгого времени накапливался огромный опыт применения различных литейных сплавов для изготовления украшений, бытовых предметов, скульптур и многих других видов художественного литья. Однако до сих пор еще не раскрыта взаимосвязь между строением сплава и его отражательной способностью.
Уже в древности люди добывали и плавили медь. Этот металл широко применялся в быту и служил материалом для изготовления различных предметов. Бронзу научились делать примерно 3 тыс. лет назад. Из этого сплава делали хорошее оружие. Популярность бронзы быстро распространялась, так как металл отличался красивым внешним видом и прочностью. Из него делали украшения, орудия охоты и труда, посуду. Благодаря небольшой температуре плавления меди человек быстро освоил ее производство.
Нахождение в природе
Свое латинское название Cuprum металл получил от названия острова Кипр, где его научились добывать в третьем тысячелетии до н. э. В системе Менделеева Сu получил 29 номер, а расположен в 11-й группе четвертого периода.
В земной коре элемент на 23-м месте по распространению и встречается чаще в виде сульфидных руд. Наиболее распространены медный блеск и колчедан. Сегодня медь из руды добывается несколькими способами, но любая технологий подразумевает поэтапный подход для достижения результата.
Физические свойства
Металл пластичен и на открытом воздухе покрывается оксидной пленкой за короткое время. Благодаря этой пленке медь и имеет свой желтовато-красный оттенок, в просвете пленки цвет может быть зеленовато-голубым. По уровню уровнем тепло- и электропроводности Cuprum на втором месте после серебра.
- Плoтность - 8,94×103 кг/ м3 .
- Удельная теплоемкость при Т=20 ° C - 390 Дж/кг х К.
- Электрическoе удельное при 20−100 ° C - 1,78×10−8 Ом/м.
- Температура кипeния - 2595 ° C.
- Удельная электропрoводность при 20 ° C - 55,5−58 МСм/м.
При какой температуре плавится медь
Плавления происходит, когда из твердого состояния металл переходит в жидкое. Каждый элемент имеет собственную температуру плавления. Многое зависит от примесей в металле . Обычная температура плавления меди - 1083 ° C. Когда добавляется олово, температура снижается до 930- 1140 ° C. Температура плавления зависит здесь от содержания в сплаве олова. В сплаве купрума с цинком плавление происходит при 900- 1050 ° C .
При нагреве любого металла разрушается его кристаллическая решетка. По мере нагревания повышается температура плавления, но затем выравнивается по достижении определенного предела температуры. В этот момент и плавится металла. Полностью расплавляется, и температура повышается снова.
Когда металл охлаждается, температура снижается, в определенный момент остается на прежнем уровне, пока металл не затвердеет полностью. После полного затвердевания температура снижается опять. Это демонстрирует фазовая диаграмма, где отображен температурный процесс с начала плавления до затвердения. При нагревании разогретая медь при 2560 ° C начинает закипать. Кипение подобно кипению жидких веществ, когда выделяется газ и появляются пузырьки на поверхности. В момент кипения при максимально больших температурах начинается выделение углерода, образующегося при окислении.
Плавление в домашних условиях
Благодаря низкой температуре плавления древние люди могли расплавлять купрум на костре и использовать металл для изготовления различных изделий.
Для расплавки меди в домашних условиях понадобится:
Процесс течет поэтапно, металл помещается в тигель, а затем размещается в муфельной печи. Выставляется нужная температура, а наблюдение за процессом осуществляется через стеклянное оконце. В процессе в емкости с Cu появится окисная пленка, которую нужно устранить - открыть окошко и отодвинуть в сторону стальным крюком.
При отсутствии муфельной печи расплавить медь можно автогеном. Плавление пойдет, если ест нормальный доступ воздуха. Паяльной лампой расплавляется латунь и легкоплавкая бронза. Пламя должно охватить весь тигель.
Если под рукой ничего из перечисленных средств нет, можно использовать горн, установленный на слой древесного угля. Для повышения Т можно использовать пылесос, включенный в режим выдувания, но шланг должен иметь металлический наконечник, хорошо, если с зауженным концом, так струя воздуха будет тоньше.
Температура плавления бронзы и латуни, как температура плавления меди и алюминия - невысоки.
Сегодня в промышленных условиях в чистом виде Cu не используется. В ее составе содержится много примесей: никель, железо, мышьяк, сурьма, другие элементы. Качество продукта определяется наличием содержания в процентах примесей в сплаве (не более 1%). Важные показатели - тепло- и электропроводность. Благодаря пластичности, малой Т плавления и гибкости медь широко используется во многих отраслях промышленности.
В металлургической промышленности одним из основных направлений считается литье металлов и их сплавов по причине дешевизны и относительной простоты процесса. Отливаться могут формы с любыми очертаниями различных габаритов, от мелких до крупных; это подходит как для массового, так и для индивидуального производства.
Литье является одним из древнейших направлений работы с металлами, и начинается примерно с бронзового века: 7−3 тысячелетия до н. э. С тех пор было открыто множество материалов, что приводило к развитию технологии и повышению требований к литейной промышленности.
В наши дни существует много направлений и видов литья, различающихся по технологическому процессу. Одно остается неизменным - физическое свойство металлов переходить из твердого состояния в жидкое, и важно знать то, при какой температуре начинается плавление разных видов металлов и их сплавов.
Процесс плавления металла
Данный процесс обозначает собой переход вещества из твердого состояния в жидкое. При достижении точки плавления металл может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии, дальнейшее возрастание приведет к полному переходу материала в жидкость.
То же самое происходит и при застывании - при достижении границы плавления вещество начнет переходить из жидкого состояния в твердое, и температура не изменится до полной кристаллизации.
При этом следует помнить, что данное правило применимо только для чистого металла. Сплавы не имеют четкой границы температур и совершают переход состояний в некотором диапазоне:
- Солидус - линия температуры, при которой начинает плавиться самый легкоплавкий компонент сплава.
- Ликвидус - окончательная точка плавления всех компонентов, ниже которой начинают появляться первые кристаллы сплава.
Точно измерить температуру плавления таких веществ невозможно, точкой перехода состояний указывается числовой промежуток.
В зависимости от температуры, при которой начинается плавление металлов, их принято разделять на:
- Легкоплавкие, до 600 °C. К ним относятся , цинк, свинец и другие.
- Среднеплавкие, до 1600 °C. Большинство распространенных сплавов, и такие металлы как золото, серебро, медь, железо, алюминий.
- Тугоплавкие, свыше 1600 °C. Титан, молибден, вольфрам, хром.
Также существует и температура кипения - точка, при достижении которой расплавленный металл начнет переход в газообразное состояние. Это очень высокая температура, как правило, в 2 раза превышающая точку расплава.
Влияние давления
Температура плавления и равная ей температура затвердевания зависят от давления, возрастая с его повышением. Это обусловлено тем, что при повышении давления атомы сближаются между собой, а для разрушения кристаллической решетки их нужно отдалить. При повышенном давлении требуется большая энергия теплового движения и соответствующая ей температура плавления увеличивается.
Существуют исключения, когда температура, необходимая для перехода в жидкое состояние, при повышенном давлении уменьшается. К таким веществам относят лёд, висмут, германий и сурьма.
Таблица температур плавления
Любому человеку, связанному с металлургической промышленностью, будь то сварщик, литейщик, плавильщик или ювелир, важно знать температуры, при которых происходит расплав материалов, с которыми он работает. В нижеприведенной таблице указаны точки плавления наиболее распространенных веществ.
Таблица температур плавления металлов и сплавов
| Название | T пл, °C |
|---|---|
| Алюминий | 660,4 |
| Медь | 1084,5 |
| Олово | 231,9 |
| Цинк | 419,5 |
| Вольфрам | 3420 |
| Никель | 1455 |
| Серебро | 960 |
| Золото | 1064,4 |
| Платина | 1768 |
| Титан | 1668 |
| Дюралюминий | 650 |
| Углеродистая сталь | 1100−1500 |
| 1110−1400 | |
| Железо | 1539 |
| Ртуть | -38,9 |
| Мельхиор | 1170 |
| Цирконий | 3530 |
| Кремний | 1414 |
| Нихром | 1400 |
| Висмут | 271,4 |
| Германий | 938,2 |
| Жесть | 1300−1500 |
| Бронза | 930−1140 |
| Кобальт | 1494 |
| Калий | 63 |
| Натрий | 93,8 |
| Латунь | 1000 |
| Магний | 650 |
| Марганец | 1246 |
| Хром | 2130 |
| Молибден | 2890 |
| Свинец | 327,4 |
| Бериллий | 1287 |
| Победит | 3150 |
| Фехраль | 1460 |
| Сурьма | 630,6 |
| карбид титана | 3150 |
| карбид циркония | 3530 |
| Галлий | 29,76 |
Помимо таблицы плавления, существует много других вспомогательных материалов. Например, ответ на вопрос, какова температура кипения железа лежит в таблице кипения веществ. Помимо кипения, у металлов есть ряд других физических свойств, как прочность.
Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность - возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа - Мега Паскалях.
Существуют следующие группы прочности металлов:
- Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
- Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
- Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и .
Таблица прочности металлов
Наиболее распространенные в быту сплавы
Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.
Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.
Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.
Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 - 120 °C.
Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.
Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов. Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам.
От температуры плавления металла зависит способ его плавки, материал футеровки плавильной печи или тигля и линейной формы. Температура плавления и плотность всех основных металлов приведены в табл.1.1.
Плотность металлов измеряется массой в единице объема. Значение плотности используют в расчетах массы расплава или отливок по геометрическим размерам или их объемы, если известна масса.
Из приведенных в табл.1 металлов самым легким является литий, а к наиболее тяжелым - вольфрам и золото, имеющие плотность более 19 г/см 3 . Температура плавления металлов охватывает промежуток от - 39 о С у ртути до 3400 о С у вольфрама.
Металлы, имеющие температуру плавления ниже 500 - 600 о С, называют легкоплавкими. В табл. 1.1 к легкоплавким относятся цинк и все другие металлы, расположенные до него. Принято также выделять тугоплавкие металлы, относя к ним те, которые обладают более высокой температурой плавления, чем железо, то есть по табл.1 это титан и далее до вольфрама.
Из табл. 1.1 видно, что по плотности металлы при комнатной температуре также имеют очень широкий промежуток значений.
Температура плавления и плотность металлов
В технике принято выделять группу легких металлов, служащих основой конструкционных металлических материалов. К легким металлам относят те, у которых плотность не превышает 5 г/см 3 , то есть в эту группу входят титан, алюминий, магний, бериллий, литий.
Температуру плавления сплава рассчитывают с учетом концентрации, атомной массы и понижения температуры плавления основного металла:
Например, температура плавления чистого железа снижается в присутствии 1-го массового %: Cu - 1 о С; V, Mo, M n - 2 o C; Al - 3,5 o C; Si - 12 o C; Ti - 18 o C; P - 28 o C; S - 30 o C; C - 73 o C; B - 90 o C.
С повышением температуры от комнатной до температуры плавления плотность большинства металлов уменьшается на 3-5 % вследствие того, что переход металла в жидкое состояние сопровождается увеличением объема. Исключение составляют гелий, висмут, сурьма, германий и кремний, которые при плавлении уменьшаются в объеме при соответствующем повышении плотности расплава.
Изменение плотности сплава при переходе из жидкого состояния в твердое предопределяет объемную усадку. В отливках из сплавов с положительным значением Д с усадка проявляется в виде усадочных раковин и мелких пор, а с отрицательным значением Д с - в виде наростов (выдавленных на поверхность отливки расплав).
Наряду с плотностью (с ), для описания свойств металлов используется обратная величина - удельный объем V = 1/с см 3 /г . С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается, удельный объем соответственно увеличивается. Увеличение удельного объема твердого металла, не испытывающего полиморфных превращений, при нагреве на Дt может быть довольно точно описано линейной зависимостью. , где - температурный коэффициент объемного расширения. Как известно из физики, температурный коэффициент линейного расширения в данном температурном интервале.
Переход металла в жидкое состояние сопровождается в основном увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности. В табл. 1 это выражено через изменение удельных объемов, удельные объемы жидкого и твердого металла при температуре плавления. Можно показать, что
Незначительное изменение объема металлов при плавлении свидетельствует о том, что расстояние между атомами в жидком металле мало отличается от межатомных расстояний в кристаллической решетке.
Повышение температуры жидкого металла вызывает постепенное изменение его свойств и приводит к постепенным структурным перестройкам, которые выражаются в понижении координационного числа и постепенном исчезновении ближнего порядка в расположении атомов. Вызываемое повышением температуры увеличение удельного объема расплава может быть приближенно описано линейной зависимостью. Температурный коэффициент объемного расширения жидкого металла существенно больше, чем такой же коэффициент твердого металла. Обычно.
Сплавы как в твердом, так и в жидком состоянии в общем случае не являются совершенными растворами, и сплавление двух и более металлов всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава в сравнении с суммарным объемом чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Однако для технических расчетов можно пренебречь уменьшением объема при сплавлении. В этом случае удельный объем сплава может быть определен по правилу аддитивности, то есть по значениям удельных объемов чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Таким образом, удельный объем сплава, который состоит из компонентов, содержащихся в процентах по массе в количестве, соответственно равен
Здесь - удельные объемы чистых компонентов при той же температуре, для которой вычисляется удельный объем сплава. Важно иметь в виду, что указанное правило аддитивности в том виде, как оно написано выше, справедливо именно для удельного объема сплава. Если заменить удельные объемы плотностями, то получается значительно более сложное выражение, поэтому целесообразнее пользоваться именно удельными объемами.
В научных исследованиях часто используется величина, называемая атомным объемом или объемом грамм-атома металла или сплава. Эту величину находят делением атомной массы на плотность. Для металлов атомный объем имеет пределы 5 - 20 см 3 , чаще 8 - 12 см 3 .
Плотность зависит от природы вещества (сплава), от комплекса индивидуальных свойств элементов, входящих в его состав, и вида их взаимодействия. Одно и то же вещество (металл) может иметь разную плотность в зависимости от кристаллического строения, типа кристаллической решетки. Например, Fe б = 768 и Fe г = 7,76; С алм = 3,51, С граф = 2,23; б кварц = 2,65, в кварц = 2,51 и др.
Важно учитывать различие понятий «плотность» и «удельный вес» материала.
Плотность - это отношение массы вещества к занимаемому объему:
где m - масса, г(кг); V - объем, см 3 (м 3); с - плотность, г/см 3 (кг/м 3).
Удельный вес определяют как отношение веса вещества к занимаемому объему:
где P - вес, г (кг); г - удельный вес, см 3 (м 3).
Вес находят по отношению:
где g - ускорение свободного падения; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, входящих в формулу величин.
И, следовательно
В одной и той же системе единиц плотность и удельный вес не совпадают численно. Например, для дистиллированной воды в различных системах единиц с и г имеют разные значения (табл. 1.2).
Совпадение численных значений плотности и удельного веса, взятых из разных систем единиц измерения, является иногда причиной замены одной величины другой.
Масса тела - неизменная величина и является мерой гравитационных и инерционных свойств вещества, а вес - величина переменная, зависящая от ускорения свободного падения в точке наблюдения. Поэтому удельный вес не может являться справочной величиной.
Отношение масс двух тел в одной и той же точке наблюдения равно от- ношению весов этих тел:
Поэтому при взвешивании находят массу тела в сопоставлении ее с массой гирь. В результате взвешивания определяют массу материала.
На практике плотность определяют для выявления изменений в конечном металле по сравнению с исходным необработанным. Поэтому имеет значение не сам факт установления плотности, а факт разницы плотностей, или что еще более показательно - отношение плотностей:
Методы определения плотности классифицируются по групповым признакам: весовым, объемным, иммерсионным.
К весовым методам относятся гидростатическое взвешивание, микрометрический метод, ареометрический метод постоянного объема и массы и др. Это наиболее распространенные и точные методы.
К объемным - определение объема образца путем линейных измерений (образец правильной формы) с помощью газовых или жидкостных волюмометров. Объемные методы (по геометрическим размерам) дают возможность сделать точные вычисления при больших объемах образцов.
Уравновешивание плотности в жидкости называют иммерсионным методом. К нему также относится метод термоградиентной трубки и др.
Кроме перечисленных, используют еще и механические, радиационные, рефрактометрические, аналитические и другие методы определения плотности по косвенным показателям.
Чтобы расплавленный металл хорошо заполнял форму, поверхностное натяжение и вязкость его не должны препятствовать поступательному движению расплава до тех пор, пока она не будет полностью заполнена. Вязкость, поверхностное натяжение и диффузия влияют на процессы рафинирования, легирования, модифицирования сплавов.
Температуры плавления почти всех широко используемых в настоящее время металлов приведены в табл. 1. Там же упомянуты некоторые редкие металлы, производство и применение которых непрерывно растет. Как видно, температура плавления металлов охватывает очень большой промежуток от -39 (ртуть) до 3400 °C (вольфрам).
Металлы, имеющие температуру плавления ниже 500-600 °С, называют легкоплавкими. К легкоплавким можно отнести цинк и все другие металлы, расположенные в табл. 1 выше его. Принято также выделять так называемые тугоплавкие металлы, относя к ним те, которые обладают более высокой температурой плавления, чем железо (1539 °С), т. е. по табл. 1 это титан и далее до вольфрама.
Из данных табл. 1 видно, что плотности металлов при комнатной температуре также имеют очень широкий диапазон. Самым легким металлом является литий, который примерно в 2 раза легче воды. В технике принято выделять группу легких металлов, служащих основой конструкционных металлических материалов в авиации и ракетостроении. К легким металлам относят те, у которых плотность не превышает 5 г/см3. В эту группу входят титан, алюминий, магний, бериллий, литий.
Наряду с плотностью, обозначаемой буквой d, для описания свойств металлов используют обратную величину - удельный объем v=1d (см3 г).
С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается, удельный объем соответственно увеличивается. Увеличение удельного объема твердого металла, не испытывающего полиморфных превращений, при нагреве на Δt может быть довольно точно описано линейной зависимостью vтвt=vтв20°С (1+βтв Δt), где βтв - температурный коэффициент объемного расширения. Как известно из физики, βтв=3α, где α - температурный коэффициент линейного расширения в данном температурном интервале. У большинства металлов нагрев от комнатной до температуры плавления вызывает увеличение объема на 4 5 %, так что dтвtпл = 0,95/0,96dтв20°С.
Переход металла в жидкое состояние сопровождается в большинстве случаев увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности. В табл. 1 это выражено через изменение удельных объемов Δv = 100 (vж - vтв)/vж, где vж и vтв - удельные объемы жидкого и твердого металла при температуре плавления. Можно показать, что Δv = 100 (vж - vтв)/vж = Δd = 100 (dтв - dж)/dтв. Уменьшение плотности при плавлении выражается несколькими процентами. Имеется несколько металлов и неметаллов, у которых наблюдается обратное изменение плотности и удельного объема при плавлении. Галлий, висмут, сурьма, германий, кремний при плавлении уменьшаются в объеме, и поэтому у них Δv имеет отрицательное значение. Для сравнения можно отметить, что для веды Δv = -11%.
Незначительное изменение объема металлов при плавлении свидетельствует о том, что расстояния между атомами в жидком металле мало отличаются от межатомных расстояний в кристаллической решетке. Число ближайших соседей у каждого атома (так называемое координационное число) в жидкости обычно немного меньше, чем в кристаллической решетке. У металлов с плотноупакованными структурами координационное число при плавлении уменьшается с 12 до 10-11, у металлов с о. ц. к. структурой это число меняется с 8 до 6. В жидком металле вблизи точки плавления сохраняется ближний порядок, при котором расположение соседних атомов на расстоянии примерно до трех атомных диаметров сохраняется подобным тому, каким оно было в кристаллической решетке, которая, как известно, обладает еще и дальним порядком. При плавлении у металлов не наблюдается принципиального изменения ряда свойств: теплопроводности, теплоемкости; электропроводность остается того же порядка, что и в твердом металле вблизи точки плавления.
Повышение температуры жидкого металла вызывает не только постепенное изменение всех его свойств, но и приводит к постепенным структурным перестройкам, которые выражаются в понижении координационного числа и постепенном исчезновении ближнего порядка в расположении атомов. Вызываемое повышением температуры увеличение удельного объема жидкого металла может быть приближенно описано линейной зависимостью vжt = vжtпл (1 +βж Δt). Температурный коэффициент объемного расширения жидкого металла существенно больше, чем твердого металла. Обычно βж = 1,5/3βтв.
Сплавы как в твердом, так и в жидком состоянии в общем случае не являются совершенными растворами, и сплавление двух и более металлов всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава по сравнению с суммарным объемом чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Однако для технических расчетов можно пренебречь уменьшением объема при сплавлении. В этом случае удельный объем сплава может быть определен по правилу аддитивности, т. е. по значениям удельных объемов чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Таким образом, удельный объем сплава, который состоит из компонентов А, В, С, ..., X, содержащихся в процентах по массе в количестве а, b, с, ..., х равен
где vA, vB, vC, vX - удельные объемы чистых компонентов при той температуре, для которой вычисляется удельный объем сплава.
Изменение объема жидкого металла до начала и в процессе кристаллизации предопределяет важнейшее литейное свойство - объемную усадку, которая проявляется, как будет показано позже, в виде усадочных раковин и пористости (рыхлоты) в теле отливки.
Максимально возможная величина относительной объемной усадки отливки равняется Δvmax = 100 (vжt - vтвtпл)/vжt, где vжt - удельный объем жидкого металла при температуре заливки t; tтвtпл - удельный объем твердого металла при температуре плавления.
Экспериментально обнаруживаемая в отливках объемная усадка обычно меньше величины Δvmax. Это объясняется тем, что при заполнении литейной формы происходит охлаждение расплава и может даже начаться кристаллизация, поэтому исходное состояние расплава в литейной форме не характеризуется удельным объемом vtж. Охлаждение затвердевшей отливки до комнатной температуры не сказывается на величине относительной объемной усадки.
В отливках из металлов и сплавов, имеющих отрицательные значения Δv (см. табл. 1), обнаруживается не усадка, а так называемый рост - выдавливание расплава на поверхность отливок.