تبلغ درجة انصهار الحديد النقي (Fe) درجة انصهاره الطبيعية 1538 درجة مئوية (1811 كلفن / 2800 درجة فهرنهايت) عند ضغط جوي واحد؛ هذه هي درجة الحرارة التي يصبح فيها δ-الفريت (الحديد المكعب المتمركز حول الجسم في درجة حرارة عالية) سائلًا. هذه القيمة هي المرجع المقبول المستخدم في كتيبات علم المعادن وقواعد البيانات الكيميائية الحرارية.
ماذا تعني درجة الانصهار بالنسبة للمعدن
عندما يقول علماء المعادن "نقطة الانصهار" لمعدن نقي فإنهم عادةً ما يقصدون درجة حرارة الاتزان التي تتعايش عندها المادة الصلبة البلورية والسائل عند ضغط جوي واحد - نقطة الانصهار العادية (أو نقطة التجمد العادية). بالنسبة للسبائك الهندسية - بما في ذلك الفولاذ والحديد المصبوب - عادةً ما يكون هناك نطاق الذوبان بين سوليدوس (يظهر السائل الأول عند التسخين) و سائل (آخر مادة صلبة تذوب في سائل). تعامل مع أرقام الانصهار العددية للمعادن على أنها القيم المرجعية التي تنطبق على ظروف الاتزان النقية للغاية؛ عادةً ما تتصرف المواد في العالم الحقيقي بشكل مختلف.
درجة الانصهار الطبيعية المقبولة عمومًا لعنصر الحديد هي 1538 درجة مئوية (1811 كلفن / 2800 درجة فهرنهايت) عند الضغط الجوي القياسي. وهذه القيمة مذكورة في مصادر البيانات الوطنية والدولية التي يستخدمها المهندسون والعلماء (المعهد الوطني للمعايير والمقاييس والاختبارات (NIST)، ومركز البحوث العلمية (CRC)، ورابطة مهندسي السيارات (ASM)، و PDG/LBL، وكتيبات المواد الكيميائية الرئيسية). تبلغ درجة الغليان العادية للحديد عند ضغط جوي 1 atm حوالي 2860-2862 درجة مئوية (≈3134 ك)؛ تتقارب المراجع المختلفة بشكل مختلف قليلاً حسب طريقة القياس والتقييم.
الحقائق الرقمية الحاملة للحمولة:
-
درجة الانصهار العادية (حديد نقي): 1538 درجة مئوية (1811 كلفن / 2800 درجة فهرنهايت).
-
انتشار الأدبيات النموذجية: ≈1535-1539 °C اعتمادًا على طريقة التجربة والنقاء.
-
الحرارة الكامنة (الانصهار) بالقرب من نقطة الانصهار: ≈247 كيلوجول/كجم (المتوسط الموصى به المبلغ عنه).
متآصلات الحديد والانتقالات الطورية التي تؤدي إلى الانصهار
يُظهر الحديد أشكالاً بلورية متعددة (متآصلات) مع ارتفاع درجة الحرارة:
| ألوتروب | الرمز | التركيب البلوري | نطاق درجة حرارة مستقرة (تقريبًا، 1 ضغط جوي) |
|---|---|---|---|
| حديد ألفا | α-Fe | BCC (فريت) | حتى 912 °C |
| حديد جاما | γ-Fe | FCC (الأوستينيت) | 912 درجة مئوية → 1394 درجة مئوية |
| حديد الدلتا | δ-Fe | BCC (فريت عالي التردد) | 1394 درجة مئوية → 1538 درجة مئوية (ذوبان) |
| سائل | L | - | > 1538 °C (للحديد النقي) |
تُعد التحولات الصلبة → الصلبة (αγ الصلبة حوالي 912 درجة مئوية وγδ حوالي 1394 درجة مئوية) حرجة لأن الطور δ هو الذي يذوب عند درجة حرارة مرجعية 1538 درجة مئوية. درجات الحرارة الانتقالية هذه موثقة جيدًا في المخططات الطورية والكتيبات.
لماذا يكون الرقم الواحد (1538 درجة مئوية) مفيداً - وعندما لا يكون كذلك
هذا الرقم الوحيد مفيد للغاية للمقارنة وللعمليات الحسابية الأساسية (الديناميكا الحرارية، ونقاط ضبط الأفران، وتاريخيًا في التدريس). ومع ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام 1538 درجة مئوية دون تمحيص إلى التضليل:
-
السبائك: تؤدي إضافة الكربون، أو السيليكون، أو النيكل، أو النيكل، أو الكروم أو عناصر أخرى إلى تغيير الصلابة/السائل على نطاق واسع.
-
الشوائب: تنتج أطوار الكبريت والفوسفور والأكسجين والخبث نقاط انصهار سهلة الانصهار أقل من درجة حرارة انصهار الحديد النقي.
-
تسخين غير متوازن: يتسبب التسخين السريع أو التسخين الفائق أو التبريد المنخفض في سلوك عابر يبتعد عن ذوبان الاتزان.
-
الضغط يؤدي الضغط المرتفع إلى تغيير درجة حرارة الانصهار (ذات صلة بالجيوفيزياء الأرضية وتجارب الضغط العالي).
ولذلك، يجب على المهندسين الذين يعملون مع الصلب أو الحديد الزهر أو السبائك المتخصصة الرجوع إلى مخططات الطور وبيانات الشركة المصنعة لقيم الصلب/السائل بدلاً من رقم واحد من الحديد الخالص.
كيف يؤثر الكربون على درجة حرارة انصهار الحديد
يقلل الكربون من درجة انصهار الحديد عندما يكوّن محاليل أو كربيدات. إن نظام الحديد والكربون (Fe-C) هو أساس فلزات الصلب؛ وفيما يلي بعض النطاقات العملية:
| المواد | الكربون النموذجي (wt%) | السلوك النموذجي للتصلب/السيولة/الانصهار (تقريبًا) |
|---|---|---|
| حديد نقي | 0.00 | 1538 °C (قيمة واحدة) |
| فولاذ منخفض الكربون | 0.05-0.25 | سوليدوس ≈ 1450-1500 °Cليكويدوس ≈ 1500-1540 °C (يختلف) |
| فولاذ متوسط الكربون | 0.25-0.60 | سوليدوس ≈ 1420-1490 °Cليكويدوس ≈ 1480-1530 °C |
| فولاذ عالي الكربون/فولاذ الأدوات | 0.6-2.0 | يمكن أن تنخفض السبيكة الصلبة أكثر من ذلك؛ ميزات سهلة الانصهار في حالة وجود سبائك أخرى |
| حديد مصبوب (أبيض/رمادي) | 2.0-4.0 | ذوبان معقد مع سهل الانصهار; سائل سائل غالبًا 1150-1250 درجة مئوية (الجرافيت، الكربيد المعتمد) |
ملحوظة: تختلف قيم سائل/صلب الحديد الزهر بشدة باختلاف التركيب وممارسة المسابك - العديد من حديد الزهر ينصهر في درجات حرارة أفران أقل بكثير من الحديد النقي بسبب تكوين السوائل وتكوين الجرافيت. توفر المخططات الطورية للحديد الصلب والحديد الصلب حدودًا تفصيلية.
مقارنة سريعة: درجات انصهار المعادن الشائعة (جدول مرجعي)
| العنصر / المادة | نقطة الانصهار (درجة مئوية) | درجة الانصهار (درجة فهرنهايت) |
|---|---|---|
| الحديد (Fe، نقي) | 1538 | 2800 |
| النحاس (النحاس) | 1084 | 1983 |
| الألومنيوم (Al) | 660.3 | 1220 |
| النيكل (ني) | 1455 | 2651 |
| الكروم (Cr) | 1907 | 3465 |
| التيتانيوم (Ti) | 1668 | 3034 |
| (بيانات من الكتيبات القياسية المستخدمة في الهندسة). |
طرق القياس والاعتبارات العملية
يتطلب قياس درجة حرارة انصهار المعدن تقنية دقيقة. تشمل الطرق الشائعة ما يلي:
-
المسح الحراري التفاضلي (DSC) / التحليل الحراري التفاضلي (DTA): يقيس تدفق الحرارة ويكشف عن قمم الذوبان الماص للحرارة؛ ممتاز للعينات والسبائك الصغيرة.
-
قياس البيرومترية الضوئي بدرجة حرارة عالية باستخدام طريقة البوتقة: بالنسبة للمعادن المقاومة للحرارة، يمكن الكشف عن الانصهار بصريًا أو عن طريق قياس البيرومترية المصحح بالانبعاثات.
-
الرفع الكهروستاتيكي + التسخين بالليزر: تُستخدم في الأبحاث المتخصصة لتجنب التلوث وتفاعلات البوتقة؛ مفيدة للسوائل فائقة السخونة ودراسات التجميد تحت التبريد.
-
الطرق الثابتة/التحليلية: تقنيات الإسقاط أو الغمر المستخدمة تاريخيًا في معامل المعادن.
تحتوي كل طريقة على مصادر عدم يقين: نقاء العينة، والتفاعلات بين البوتقة والعينة، والغلاف الجوي (يمكن للأكسجين أن يؤكسد ويغير سلوك الذوبان الظاهري)، ومعدل التسخين، والمعايرة. للحصول على بيانات دقيقة، استشر المختبرات القياسية الأولية (NIST، معاهد القياس الوطنية).
الخصائص الفيزيائية الحرارية حول الذوبان
خواص فيزيائية حرارية مهمة مهمة بالقرب من نقطة الانصهار (قيم تقريبية للحديد النقي):
-
الحرارة الكامنة للاندماج: ≈ 247 كيلو جول/كجم (الطاقة اللازمة لصهر 1 كجم عند نقطة الانصهار).
-
تغير الكثافة: تنخفض كثافة الفلزات عادةً عند الانصهار؛ وبالنسبة للحديد فإن التغير يعتمد على المادة والطور.
-
السعة الحرارية: يرتفع Cp مع ارتفاع درجة الحرارة؛ يلزم وجود Cp مقابل T بدقة لتقدير طاقة الفرن (يوفر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا والكتيبات معاملات شومات أو معاملات متعددة الحدود ملائمة).
يستخدم المهندسون هذه الخصائص لتحديد حجم الأفران، وحساب استهلاك الطاقة للصهر، ونمذجة التصلب في محاكاة الصب.
الآثار الصناعية - الصهر والصب واللحام والمعالجة الحرارية
تشمل التأثيرات العملية لسلوك انصهار الحديد ما يلي:
-
ممارسة السباكة: تقوم المسابك بضبط درجات حرارة الفرن والمغرفة لتتجاوز درجة حرارة السوائل الخاصة بالسبيكة المحددة؛ وهذا يعني بالنسبة للعديد من أنواع الفولاذ الحفاظ على ~1550-1600 °C في فرن القوس الكهربائي أو فرن الحث الكهربائي من أجل التسخين الفائق المناسب ونقل المغرفة. يذوب الحديد الزهر في درجات حرارة منخفضة في كثير من الحالات.
-
اللحام: يتطلب الذوبان الموضعي في اللحام التحكم لتجنب التخفيف المفرط أو الاحتراق أو التقصف من عناصر السبائك.
-
المعالجة الحرارية: على الرغم من أن المعالجات الحرارية نادراً ما تقترب من الانصهار، إلا أن درجات حرارة التحول الحرجة (على سبيل المثال، A1، A3) التي تحدد البنية المجهرية تحدث أقل بكثير من الانصهار، لذلك يتم استخدام مخططات الطور الدقيقة وبيانات TTT/CCT.
-
التصنيع الإضافي (AM المعدني): معدلات الذوبان والتصلب مهمة للغاية بالنسبة للبنية المجهرية - يتم ضبط معلمات الطباعة بالنسبة لخصائص الذوبان.
الممارسة الجيدة: اعمل دائمًا من المواد الصلابة/السائل الموثقة ودرجات حرارة الفرن الموصى بها للمسبك أو المصنع، وليس فقط رقم انصهار الحديد النقي.
الضغط والظروف القاسية
عند الضغط المحيط، تصمد درجة الحرارة المرجعية 1538 درجة مئوية. وتحت الضغط المرتفع، يتغير سلوك الانصهار (وهو أمر مهم في الجيوفيزياء الأرضية وأبحاث المواد ذات الضغط العالي). تُظهر المخططات الطورية التجريبية والمحسوبة عند ضغط جيجا باسكال أن درجة حرارة الانصهار يمكن أن تزيد مع الضغط بالنسبة للحديد؛ وهذه التحولات خارجة عن الأهمية الصناعية العادية ولكنها مهمة لنمذجة النواة الأرضية والأجهزة ذات الضغط العالي. توثق المنشورات المتخصصة وملخصات NIST/PDG خطوط الانصهار المعتمدة على الضغط.
الأخطاء الشائعة وكيفية تجنبها
-
استخدام عدد الحديد النقي للسبائك: يؤدي إلى إعدادات فرن خاطئة. استخدم دائمًا البيانات الخاصة بالمواد.
-
الخلط بين نقطة الانصهار والصلب/السائل: بالنسبة للسبائك هذه هي نطاقات، وليست قيم مفردة.
-
تجاهل الغلاف الجوي والتلوث: الأكسدة أو تفاعلات البوتقة تغير سلوك الانصهار. استخدم الغازات الخاملة أو التفريغ إذا لزم الأمر.
-
الاعتماد على المزدوجات الحرارية أو البيرومترات غير المعايرة: المعايرة التي يمكن تتبعها وفقًا للمعايير ضرورية للحصول على درجات حرارة دقيقة.
جداول عملية للمهندسين
النطاقات التمثيلية للتصلب/السائل التمثيلي (هندسي تقريبًا)
| عائلة المواد | مثال على التركيب | الصلابة التقريبية (درجة مئوية) | السائل التقريبي (درجة مئوية) | الملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| حديد نقي | 0% C | 1538 (فردي) | 1538 | الحديد النقي المرجعي |
| فولاذ منخفض الكربون | 0.05-0.251 تيرابايت 3 تيرابايت ج | 1450-1500 | 1500-1540 | يعتمد على السبائك |
| الفولاذ المقاوم للصدأ (الأوستنيتي) | Fe-18Cr-8Ni | ~1390-1450 | ~1450-1520 | يرفع النيكل/الكروم سلوك الانصهار المحلي أو يخفضه |
| حديد زهر رمادي | 2-4% C (غرافيت) | ~1150 | ~1200-1250 | الميزات سهلة الانصهار مع الجرافيت |
الأسئلة الشائعة
-
Q: ما درجة انصهار الحديد؟
A: 1538 درجة مئوية (1811 كلفن / 2800 درجة فهرنهايت) للحديد العنصري عند 1 ضغط جوي واحد. -
Q: هل ينصهر الفولاذ عند نفس درجة حرارة الحديد النقي؟
A: لا. الفولاذ عبارة عن سبيكة ويُظهر انصهارًا النطاق (من الرقم الصلب إلى الرقم السائل) الذي يعتمد على محتوى الكربون والسبائك؛ فالعديد من أنواع الفولاذ تنصهر إلى حد ما تحت أو بالقرب من رقم الحديد النقي. -
Q: لماذا تستخدم المسابك درجات حرارة الأفران أعلى من 1538 درجة مئوية؟
A: صيانة الأفران الحرارة الفائقة أعلى من السائل لضمان سيولة جيدة، ووقت لإزالة الغازات، ولتعويض الفاقد الحراري أثناء النقل. وغالبًا ما يتم الاحتفاظ بالحرارة النموذجية للصلب عند 1550-1600 درجة مئوية تقريبًا حسب السبيكة والعملية. -
Q: كيف يؤثر تركيز الكربون على الذوبان؟
A: يقلل الكربون من درجات الانصهار عن طريق التفاعلات الانصهارية؛ وعادةً ما تكون درجات حرارة سائل الحديد المصبوب (C العالية) أقل بكثير من الحديد النقي. انظر مخططات طور Fe-C. -
Q: هل يمكن للشوائب أن ترفع درجة الانصهار؟
A: ترفع بعض العناصر من السوائل وتخفض بعضها الآخر؛ على سبيل المثال يرفع الكروم والتنجستن عادةً من قوة درجة الحرارة العالية ويمكن أن يزيد من سلوك الانصهار في بعض السبائك، بينما يخفض الكربون والكبريت بعض حدود الانصهار. تعتمد التأثيرات الدقيقة على التركيب. -
Q: ما مدى دقة درجة الحرارة 1538 درجة مئوية؟
A: تتقارب المصادر الموثوقة المختلفة بشكل طفيف؛ قد تختلف القيم التجريبية ببضع درجات مئوية اعتمادًا على النقاء وطريقة القياس. ويبلغ الفارق النموذجي المبلغ عنه حوالي 1535-1539 درجة مئوية. -
Q: ما الحرارة الكامنة لانصهار الحديد؟
A: تقريبًا 247 كيلو جول/كجمتستخدم لميزانية الطاقة للذوبان. -
Q: هل يغير الأكسجين الجوي سلوك الذوبان الفعال؟
A: نعم، يمكن أن تؤدي الأكسدة وتكوين طبقات الخبث والأكسيد وتفاعلات البوتقة إلى تغيير سلوك الانصهار الظاهري ويجب التحكم فيها باستخدام التدفقات أو إدارة الخبث أو الأجواء الخاملة. -
Q: هل توجد مراجع قياسية لدرجات الانصهار؟
A: نعم! يُستخدم كتاب NIST WebBook وCRC Handbook وكتيبات ASM وجداول PDG/LBL على نطاق واسع للحصول على بيانات فيزيائية حرارية موثوقة. -
Q: أين يمكنني العثور على الصلب/السائل لرتبة معينة من الصلب الصناعي؟
A: راجع ورقة بيانات منتج الصلب، أو المراجع القياسية (على سبيل المثال، ASM، أو الرسوم البيانية المنشورة للحديد- C ومخططات الطور متعدد المكونات)، أو قواعد البيانات الديناميكية الحرارية (على سبيل المثال، Thermo-Calc، وFactSage) للحصول على بيانات دقيقة لحدود الطور.
ملاحظات ختامية للممارسين
-
استخدم 1538 °C الرقم فقط كخط أساس للحديد النقي.
-
للتحكم في المعالجة، اعتمد دائمًا على المواد الصلبة/السائلة الخاصة بالمواد، وأوراق بيانات المصنع/المصنع، وأجهزة المعايرة.
-
بالنسبة لأعمال النشر أو التصميم، اذكر قواعد البيانات الموثوقة (NIST/CRC/ASM) واذكر الظروف (الضغط، الغلاف الجوي، التركيب) التي تنطبق عليها درجات الحرارة.
مراجع موثوقة
- الكتاب الإلكتروني ل NIST Chemistry WebBook - بيانات الكيمياء الحرارية والطور المكثف للحديد (Fe)
- PubChem / NCBI - ملخص الحديد (عنصر) والبيانات الفيزيائية (بما في ذلك مراجع مركز البحوث العلمية)
- مجموعة بيانات الجسيمات / LBL - بيانات الحديد (الحديد) الذري والطوري (درجة حرارة الانصهار/الغليان)
- ASM International - كتيبات وفصول عن المعادن عن خواص المعادن النقية (يتطلب الدخول)
- موارد مخطط الطور Fe-C والمواد التوضيحية (ملخصات أكاديمية/كتيبات)
AR 
EN 
JA 
KO 
DE 
IT 
ES