3. Плавление материалов Основные понятия, термины, определения

Температура плавления (Т_пл) - параметр состояния твердого тела, характеризующий границу его устойчивости. Другими словами, это температура равновесного фазового перехода твердого тела в жид­кость при постоянном внешнем давлении.

Наличие определенной температуры плавления - важный признак кристаллического строения тел. По этому признаку их легко отли­чить от аморфных твердых тел, не имеющих фиксированной темпе­ратуры плавления.

Механизм плавления твердого тела

Механизм перехода твердого тела в жидкость можно объяснить изменением энергетического состояния твердого тела при нагрева­нии. При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличива­ется энергия (амплитуда) колебаний его атомов, что приводит к по­вышению температуры и способствует возникновению в кристалле различных дефектов. Постепенный рост числа дефектов и их скопление характеризуют стадию "предплавления" (рис. 4.4.). С Достижением температуры плавления в кристалле создается крити­ческая концентрация дефектов.

Начинается плавление, т.е. кристаллическая решетка распадается на легкоподвижные субмикроскопические фрагменты. Подводимая в ^этот период теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей и нарушение в кристалле дальнего порядка. Когда этот про­цесс завершится, твердое тело полностью превратится в жидкость. Температура, при которой возникает такое явление, есть температу­ра плавления.

С точки зрения термодинамики, при температуре плавления достигается равновесное состояние, т.е. состояние, при котором вы­равниваются энергии Гиббса твердой и жидкой фаз.

Рис. 4.4. Стадии фазового перехода твердого тела в жидкость при

нагревании

Для обычных условий, без учета сверхвысоких давлений, также влияющих на Т_т, следует считать температуру плавления одной из характеристических констант вещества.

Состав и температура плавления

Поскольку строительное материаловедение в основном рассматривает поликри­сталлические тела и сложные кристаллы, вызывает интерес влияние составляющих компонентов на температуру их плавления.

Это влияние представляется многофакторным и чрезвычайно сложным, так как при нагревании и плавлении даже простейшей двухкомпонентной системы необходимо рассматривать следующие возможные варианты:

-постоянство состава при фазовом переходе (конгруэнтное плавление);

-образование нового соединения (инконгруэнтное плавление);

- разложение;

- образование твердых растворов, т.е. изоморфных смесей сме­шанных кристаллов;

- проявление полиморфизма одним или всеми компонентами.

Вещественный состав и температура плавления. Различные химические соединения имеют разную температуру плавления, что вполне очевидно. Однако во многих случаях прослеживается опре­деленная закономерность изменения температуры плавления в зави­симости от типа соединений. Так, для соединений одних и тех же металлов температура плавления повышается в последовательности металлы < оксиды < нитриды < карбиды и т.д.

Такую закономерность можно объяснить различием у этих со­единений типов химических связей и слабостью или прочностью их структуры (табл. 4.5.).

Тип химической связи и температура плавления материала

Этот фактор является основным при определении порядка (уровня) температуры плавления различных веществ и соединений. Отмечена тенденция повышения температуры плавления с усилени­ем химических связей в следующем порядке:

молекулярные кристаллы < кристаллы с металлической связью < ион­ные кристаллы <кристаллы с ковалентной связью.

Низкая температура плавления молекулярных кристаллов, к ко­торым можно отнести органические полимеры, объясняется тем, что, несмотря на ковалентный тип связи между частицами, образующими молекулы, межмолекулярное взаимодействие осуществляется сла­быми ван-дер-ваальсовыми силами (табл. 4.4.).

Таблица 4.5. Взаимосвязь тип соединения - тип химической связи – температура плавления

Соединения				Химическая связь	Т °С
Метал­лы	Окси­ды	Нитри­ды	Карби­ды
А1				Металлическая	659
	А12О3			Ковалентная	2050
		A1N		Ковалентно-ионная	2400
			Аl4Сз	Тоже	2800
Ti				Металлическая	1668
	TiO2			Ионная	1870
		TiN		Ковалентно-ионная	1950
			TiC	Тоже	3140
Si				Ковалентная	1417
	SiO2			Тоже	1710
		Si2N4		»»	-2000
			SiC	»»	-2830