Плавление, переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое, происходит с поглощение теплоты (фазовый переход I рода). Главными характеристиками плавления чистых веществ является температура плавления (Т_пл) и теплота плавления (L_пл).
Температура плавления зависит от внешнего давления р; на диаграмме состояния чистого вещества эта зависимость изображается кривой плавления (кривой сосуществования твердой и жидкой фаз, AС или AС′ на рис.1).Плавление сплавов и твёрдых растворов происходит, как правило, в интервале температур (исключение составляют эвтектики с постоянной Т_пл). Зависимость температуры начала и окончания плавления сплава от его состава при данном давлении изображается на диаграммах состояния специальными линиями (кривые ликвидуса и солидуса. У ряда высокомолекулярных соединений (например, у веществ, способных образовывать жидкие кристаллы) переход из твёрдого кристаллического состояния в изотропное жидкое происходит постадийно (в некотором температурном интервале), каждая стадия характеризует определённый этап разрушения кристаллической структуры.

Наличие определённой температуры плавления – важный признак правильного кристаллического строения твёрдых тел. По этому признаку их легко отличить от аморфных твёрдых тел, которые не имеют фиксированной Т_пл. Аморфные твёрдые тела переходят в жидкое состояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры.
Самую высокую температуру плавления среди чистых металлов имеет вольфрам (3410 °С), самую низкую – ртуть (–38,9 °С). К особо тугоплавким соединениям относятся: TiN (3200 °С), HfN (3580 °С), ZrC (3805 °С), TaC (4070 °С), HfC (4160 °С) и др. Как правило, для веществ с высокой Т_пл характерны более высокие значения Q_пл. Примеси, присутствующие в кристаллических веществах, снижают их Т_пл. Этим пользуются на практике для получения сплавов с низкой Т_пл и охлаждающих смесей.
Плавление начинается при достижении кристаллическим веществом Т_пл. С начала плавления до его завершения температура вещества остаётся постоянной и равной Т_пл, несмотря на сообщение веществу теплоты (рис.2). Нагреть кристалл до Т > Т_пл в обычных условиях не удаётся, тогда как при кристаллизации сравнительно легко достигается значительное переохлаждение расплава.

Характер зависимости Т_пл от давления р определяется направлением объёмных изменений (ΔV_пл) при плавлении. В большинстве случаев плавление вещества сопровождается увеличением их объёма (обычно на несколько %). Если это имеет место, то возрастание давления приводит к повышению Т_пл (рис.3). Однако у некоторых веществ (воды, ряда металлов и металлидов, см. рис.1) при плавлении происходит уменьшение объёма. Температура плавления этих веществ при увеличении давления снижается.

Плавление сопровождается изменением физических свойств вещества: увеличением энтропии, что отражает разупорядочение кристаллической структуры вещества; ростом теплоёмкости, электрического сопротивления [исключение составляют некоторые полуметаллы (Bi, Sb) и полупроводники (Ge), в жидком состоянии обладающие более высокой электропроводностью]. Практически до нуля падает при плавлении сопротивление сдвигу (в расплаве не могут распространяться поперечные упругие волны), уменьшается скорость распространения звука (продольных волн) и т.д.

Согласно молекулярно-кинетическим представлениям, плавление осуществляется следующим образом. При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия колебаний (амплитуда колебаний) его атомов, что приводит к повышению температуры тела и способствует образованию в кристалле различного рода дефектов (незаполненных узлов кристаллической решётки – вакансий; нарушений периодичности решётки атомами, внедрившимися между её узлами, и др). В молекулярных кристаллах может происходить частичное разупорядочение взаимной ориентации осей молекул, если молекулы не обладают сферической формой. Постепенный рост числа дефектов и их объединение характеризуют стадию предплавления. С достижением Т_пл в кристалле создаётся критическая концентрация дефектов, начинается плавление – кристаллическая решётка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области. Подводимая при плавлении теплота идёт не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей и разрушение дальнего порядка в кристаллах. В самих же субмикроскопических областях ближний порядок в расположении атомов при плавлении существенно не меняется (координационное число расплава при Т_пл в большинстве случаев остаётся тем же, что и у кристалла). Этим объясняются меньшие значения теплот плавления Q_пл по сравнению с теплотами парообразования и сравнительно небольшое изменение ряда физических свойств веществ при их плавлении.

Плавление занимает особое положение в общей системе фазовых переходов как универсальное физическое явление, которое может быть обнаружено практически у всех веществ. В этом отношении плавление можно сравнить только с кипением, которое столь же универсально. Более существенна еще одна особенность плавления, на этот раз не имеющая аналогов, заключающаяся в том, что плавление представляет собой результат конкуренции между двумя конденсированными и вместе с тем принципиально различными состояниями вещества: жидкостью и твердым телом. Совершенно естественно, что это явление не могло не привлечь внимания. В результате кропотливой работы многих исследователей сейчас накоплено большое количество экспериментальных фактов и эмпирических обобщений, касающихся плавления и кристаллизации. Тем не менее все обилие экспериментального материала пока еще мало способствовало созданию сколько-нибудь приемлемой теории плавления, которая могла бы объединить уже известные факты и предсказать какие-либо новые стороны явления. Если не рассматривать известных трудностей строгого статистического подхода к проблеме фазового перехода вообще, то подобная ситуация связана прежде всего с отсутствием достаточно пригодных моделей жидкого состояния, качественно верно отражающих реальность.

Процесс плавления играет важную роль в природе (плавление снега и льда на поверхности Земли, плавление минералов в её недрах и т.д.) и в технике (производство металлов и сплавов, литьё в формы и др.).

Працесс плавления играют важную роль прежде всего в процессах сварки и пайки.

Сварка плавлением осуществляется нагревом свариваемых кромок до температуры плавления без сдавливания свариваемых деталей.

При нагреве с повышением температуры снижается твёрдость металла и возрастает его пластичность. Металл, твёрдый и малопластичный при комнатной температуре, при достаточном нагреве может стать очень мягким и пластичным. Дальнейшим повышением температуры можно довести металл до расплавления; в этом случае отпадают все затруднения, связанные с твёрдостью металла; объёмы жидкого металла самопроизвольно сливаются в общую сварочную ванну.

Во многих случаях на процесс сварки существенно влияют загрязнения поверхности металла: преимущественно окислы и жировые плёнки. Эти загрязнения, попадая в сварное соединение, могут снижать качество сварки. Они, в отличие от адсорбированных газов, могут быть удалены с поверхности металла механически (щётками, абразивами и т.д.) или химически (растворителями, травителями, и флюсами).

 

У сплавов, как правило, нет определённой температуры плавления; процесс их плавления происходит в конечном диапазоне температур. На диаграммах состояния «температура – относительная концентрация» имеется конечная область сосуществования жидкого и твёрдого состояния, ограниченная кривыми ликвидуса и солидуса. Аналогичная ситуация имеет место и в случае многих твёрдых растворов.
Фиксированной температуры плавления нет также у аморфных тел; они переходят в жидкое состояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры.
Кинетика плавления
Поясним вначале, почему при некоторой температуре тело предпочитает разорвать часть межатомных связей и из упорядоченного состояния (кристалл) перейти в неупорядоченное (жидкость).
Как известно из термодинамики, при фиксированной температуре тело стремится минимизировать свободную энергию F = E – TS. При низких температурах второе слагаемое (произведение температуры и энтропии) несущественно, и в результате всё сводится к минимизации обычной энергии E. Состояние с минимальной энергией – это кристаллическое твёрдое тело. При повышении температуры, второе слагаемое становится всё важнее, и при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом обычная энергия E слегка повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, что в результате приведёт к понижению свободной энергии.
Динамика плавления
В динамике, плавление происходит следующим образом. При повышении температуры тела увеличивается амплитуда тепловых колебаний его молекул, и время от времени возникают дефекты решетки. Каждый такой дефект требует определённого количества энергии, поскольку он сопровождается разрывом некоторых межатомных связей. Стадия рождения и накопления дефектов называется стадией предплавления. Кроме того, на этой стадии, как правило, возникает квази-жидкий слой на поверхности тела. При некоторой температуре концентрация дефектов становится столь большой, что приводит к потере ориентационного порядка в образце.
Плавление в двумерных системах
В двумерных или квази-двумерных системах кристалл является гораздо более шатким объектом, чем в трёхмерном случае, а именно у двумерного кристалла нет дальнего позиционного порядка. (Для сравнения: в одномерном случае кристалл при конечной температуре вообще не может быть стабильным!) Как выяснилось, это приводит к тому, что плавление двумерного кристалла происходит в два этапа. Вначале кристалл переходит в так называемую гексатическую фазу, в которой теряется ближний позиционный порядок, но сохраняется ориентационный, а затем происходит потеря и ориентационного порядка и тело становится жидким.

Селективное лазерное плавление металлического порошка (SLM) подходит для изготовления комплексных инструментов и элементов конструкции (деталей, узлов), причем в сравнении с обычными методами изготовления преимущество по издержкам и времени в настоящее время может достигать 30%. Точность от 0,01 мм, как при обычном изготовлении форм ручным или CNC/EDM методами.