Что происходит при нагревании металлов?

Нагрев металла приводит сразу к нескольким последствиям, вот основные из них.

1. Металл термически расширяется во всех направлениях, т.е. увеличивается его длина, ширина и площадь поверхности. При нагревании металла его атомы и молекулы начинают двигаться быстрее, межатомные связи ослабевают, что приводит к увеличению расстояния между ними и увеличению объема металла. При остывании размеры восстанавливаются.

2. Подавляющее большинство металлов и сплавов с повышением температуры повышают свою пластичность, в том числе железо, сталь, медь, алюминий и его сплавы, магний, латунь и др. В то же время эти металлы приобретают способность поддаваться ковке, т. е. изменять форму без разрушения под действием внешней силы. Например, для стали, нагретой до 700°C (1292°F), требуется в 4,5 раза большее усилие ковки, чем для стали, нагретой до 1200°C (2192°F). Другие металлы и сплавы (серый чугун, оловянная бронза, цинковые сплавы) при нагревании не деформируются; они хрупкие и ломаются при ударе.
Кристаллы металлов обычно имеют правильную структуру с атомами, расположенными в определенном порядке. Однако при нагревании металла атомы становятся более подвижными, и металл становится более пластичным. Нагрев металла также может вызвать изменение типа его кристаллической структуры. Изменение структуры приведет к уменьшению или увеличению пластичности, ведь тип структуры оказывает решающее влияние на свойства металлов. Это объясняет, почему эффект изменения пластичности при нагреве наблюдается по-разному для разных металлов.

3. Тепловое излучение металлов при нагреве вызывает темно-вишневое свечение стали, заметное уже при нагреве до 550°С (1022°F), а при 850°С (1562°F) оно переходит в ярко-красное, а затем на оранжевый (950°C, 1742°F), желтый (1000°C, 1832°F) и белый (1300°C, 2372°F и выше).
Как видите, спектр теплового излучения зависит от температуры, поэтому наблюдение за цветами закалки можно использовать для оценки температуры металла, что часто применялось при термической обработке и ковке, особенно до изобретения бесконтактных термометров. . Названия цветов свечения: «красное каление», «белое каление» часто до сих пор используются металлургами вместо определения точной температуры.
Изменение цвета излучения связано с увеличением энергий внутренних взаимодействий, возбуждения и релаксации атомов металла при повышении температуры. Чем выше температура, тем интенсивнее это излучение. Его спектр постепенно обогащается коротковолновым излучением, возникающим в результате взаимодействий с повышенной энергией. Поэтому основной вклад инфракрасного излучения при низких температурах меняется с повышением температуры на видимый световой диапазон и на ультрафиолетовое излучение при очень высоких температурах.

4. Повышение температуры может вызвать окисление поверхности металла и образование на ней оксидного слоя. В случае стали такой слой может образовывать тонкую прозрачную металлическую пленку, которая остается при понижении температуры до комнатной. При этом поверхность металла приобретает радужную окраску. Это связано с тем, что поверхность покрыта тонким прозрачным слоем и работает как зеркало. Когда этот слой очень тонкий, он отражает только определенные цвета дневного света, что является результатом интерференции.
До появления пирометров этот эффект также использовался как показатель температуры нагрева железа и стали. По цветам судили о температуре нагрева стальной стружки и, соответственно, резца при операциях сверления и резания. В настоящее время его применяют для создания маркировки на поверхностях черных металлов и титана путем локального нагрева, в том числе лазерного отжига.

5. При дальнейшем нагреве стали выше 1300 °C (2372 °F, конкретная температура зависит от марки стали) может начаться плавление металла. Плавление происходит за счет того, что атомы приобретают большую энергию и разрушаются межатомные связи, а атомы теряют свое статическое положение в кристаллах и могут перемещаться по объему материала. Это приводит к потере первоначальной формы и должно быть предотвращено при термической обработке металлов.
Вот мы и рассмотрели вкратце очевидные процессы, происходящие с металлом при его нагревании. Однако изменения свойств металлов, вызванные термической обработкой, обусловлены рядом не столь очевидных причин. Эти изменения связаны с изменением структуры металла, и мы обсудим это более подробно.