ВСТУП ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МЕТАЛИ І МЕТАЛООБРОБКУ
§ 1. ЛЮДИНА І МЕТАЛИ
Опорні поняття: неметали, метали, металічні сплави, чорні та кольорові метали, властивості, видобування.
Конструкційні матеріали відіграють величезну роль у сучасній техніці та побутовій діяльності людини. їх умовно поділяють на дві групи: неметалеві й металеві.
Чи замислювались ви, якими конструкційними матеріалами найчастіше користується людина? Озирніться навколо. Вашу школу побудовано з цегли чи деревини або спеціальних будівельних блоків. У дерев’яні
Основою для будівництва багатоповерхових будинків є металеві конструкції, віконні рами теж виготовляють із застосуванням металевих деталей; для з’єднання окремих деталей меблів та інших виробів з деревини застосовуються шурупи, цвяхи, завіси, скоби й інші металеві деталі. Дроти, якими передається електрична енергія, також металеві.
Отже, неможливо
– Метали – матеріали, що мають відносно більшу вагу порівняно з деревиною, блискучу поверхню, добре проводять тепло та електричну енергію.
Найбільш розповсюджені у природі метали – це алюміній і залізо. При кімнатній температурі всі метали (окрім ртуті) перебувають у твердому стані. Якщо метал нагріти до температури плавлення, він переходить у рідкий стан, утворюючи розплав. Розплави різних металів і неметалічних домішок можуть змішуватись, утворюючи металічні сплави.
– Металічний сплав – це складна однорідна речовина з металічними властивостями, що утворюється під час твердіння розплаву з кількох металів і неметалічних домішок.
Археологічні дослідження свідчать, що люди почали видобувати і використовувати метали ще в сиву давнину, без них важко уявити сучасне суспільство.
З кінця IV тисячоліття до н. е. метал почав відігравати в житті людини дедалі значимішу роль, принципові зміни настали з відкриттям бронзи (сплаву олова і міді) і її великим поширенням. Видобуток й обробка металу почали вимагати вдосконалення вмінь та знань у майстрів, які цим займалися.
У техніці застосовують понад 10 тис. різних сплавів. Для їх виробництва використовують понад 40 хімічних елементів у найрізноманітніших поєднаннях і кількісних співвідношеннях. Сплави часто мають кращі властивості, ніж їх складові частини, і тому знаходять широке застосування в техніці. Наприклад, чисте залізо отримати дуже важко, та й міцність його низька.
У зв’язку із цим залізо використовують у вигляді сплавів з вуглецем та іншими речовинами. Якщо вуглецю у сплаві більш як 2 %, то отримують чавун, якщо менше – сталь.
Метали і сплави поділяють на два види: чорні й кольорові. До чорних металів належать залізо і сплави на його основі – сталі й чавуни. Усі інші метали і сплави належать до кольорових.
Метали і сплави – важливі конструкційні матеріали, від їх властивостей залежить надійність і довговічність технічних пристроїв. Розрізняють фізичні, механічні та технологічні властивості металів і сплавів.
До фізичних властивостей металів і сплавів відносять, наприклад, їх густину, теплові властивості (плавкість, теплопровідність, залежність розмірів від температури), електричні (електропровідність, намагнічуваність) та оптичні властивості (колір, блиск). Фізичні властивості металів виявляються під час їх взаємодії з навколишнім природним середовищем (вологість, вплив сонця та температури), а також тими речовинами, з якими вони контактують під час роботи промислового обладнання (резервуари та трубопроводи для транспортування нафтопродуктів та інших хімічних речовин).
Детальніше з фізичними властивостями металів і сплавів ви ознайомитеся на уроках фізики. Метали і сплави, як і деревинні матеріали, мають механічні властивості – міцність, твердість, пружність та пластичність. Наприклад, сталь і чавун мають високу міцність, тому з них виготовляють ферми мостів, рами для автомобілів і тракторів, станини верстатів тощо. Додаючи в сталь такі метали, як хром, вольфрам та інші, можна значно покращити її властивості. Із такої сталі виготовляють інструменти для обробки металів на верстатах (уже відомі вам свердла), а також ручний інструмент (різні види пилок і напилків) для обробки деталей з деревини та металу.
Зі сплавів, які мають високу пружність, виготовляють різні пружини, ресори тощо. Дуже важливою механічною властивістю металів є пластичність – здатність змінювати форму і розміри під впливом навантаження і зберігати їх після його зняття. Ця властивість широко використовується під час виконання таких технологічних операцій, як випрямляння, гнуття, прокатування, волочіння, кування, штампування.
До технологічних властивостей металів відносять такі, що виявляються в них як конструкційних матеріалах у процесі їх обробки різноманітними інструментами та обладнанням. У 6 класі вивчатимемо властивості тонколистового металу та дроту, а також методи їх обробки під час виготовлення деталей і виробів. Технологічні властивості цих конструкційних матеріалів зумовлюють їх придатність для виконання над ними таких технологічних операцій, як гнуття, обпилювання, різання та з’єднування окремих деталей.
Окрім сталі та чавуну, у промисловості широко застосовуються такі кольорові метали та сплави, як мідь, алюміній, дюралюміній.
Мідь – важкий, м’який, червонуватий метал – у природі трапляється у вигляді самородків, а також входить до складу різних руд і мінералів. Чиста мідь плавиться за температури 1083 °С, що дає змогу легко розливати її у форми. Мідь дуже пластична і тому легко піддається ковальській обробці. Завдяки своїм властивостям мідь використовувалась людиною ще за 3 тис. років до нашої ери. Сучасне використання міді пов’язане з її здатністю проводити електричну енергію. Однак мідь – надто м’який метал, і тому в промисловості більше використовують сплави міді – бронзу і латунь. Ці сплави мають більшу міцність, ніж чиста мідь. Бронза – сплав міді з оловом, алюмінієм, а латунь – сплав міді з цинком.
Мідний дріт використовують для виготовлення побутових електропроводів, електромагнітів, електродвигунів тощо. Усі побутові електричні прилади містять у собі елементи, виготовлені з міді та її сплавів. Якщо уявити, що раптом цей метал зник, то перестали б працювати більшість побутових приладів, припинили рухатися транспортні засоби, розвиток техніки пішов би іншим шляхом.
Алюміній – пластичний легкий метал сріблясто-білого кольору. Він добре проводить електричну енергію, має високу корозійну стійкість і широко застосовується в різних галузях господарства – авіації, будівництві, харчовій промисловості. Заготовка з алюмінію важить утричі менше, ніж така сама за розмірами заготовка зі сталі.
Дюралюміній (сплав алюмінію з міддю, магнієм, марганцем) має високу міцність і малу масу – це ідеальний матеріал для літакобудування.
Застосування певного металу чи сплаву залежить від його фізичних (у тому числі й механічних) властивостей. Істотну роль відіграють також розміри викопних запасів металу, доступність й економічна доцільність його добування.
З найважливіших для сучасної техніки металів зовсім небагато міститься в земних надрах у великій кількості. До них належать: залізо – головний матеріал сучасної техніки (становить 5 % маси земної кори), основний компонент сталей і чавунів; алюміній (становить 7 % маси земної кори). Проте виробництво алюмінію пов’язане з великими витратами електроенергії й освоєне лише для деяких видів руди. Магній (2 % маси земної кори) – основний компонент легких сплавів, що має особливе значення для розвитку авіації та космонавтики; титан (0,6 % маси земної кори) за останнє десятиріччя став основою високоякісних сплавів, що використовуються в ракетній техніці.
Магній широко використовують у металургії для потреб машино – і приладобудування, в основному для виробництва легких магнієвих сплавів, поліпшених сплавів алюмінію, а також високоміцних чавуну і сталі. Знаходить застосування в піротехніці, військовій справі, медицині.
Завдяки своїй здатності горіти на повітрі з випромінюванням яскравого світла, магній до винаходу електричних ламп-спалахів використовували для освітлення під час фотозйомки.
Мал. 1. Видобуток залізної руди ковшовим екскаватором
Залізо й алюміній залягають у вигляді рудних родовищ, що містять у породі до 60 % металів, а це значно полегшує їх добування у великих масштабах за допомогою ковшових екскаваторів (мал. 1), роторних екскаваторів (мал. 2) та фрезерних екскаваторів (мал. 3).
Мал. 2. Видобуток корисних копалин роторним екскаватором
Мал. 3. Фрезерний екскаватор:
1 – кабіна керування; 2 – фреза-ківш; 3 – транспортер
Зрозуміло, що в конструкції кожної з цих машин здебільшого використовуються саме деталі, виготовлені зі сталі, чавуну й алюмінію, а всі електричні вузли та механізми містять, окрім названих металів, ще й мідь та її сплави.
Останнім часом значно збільшилося виробництво алюмінію, сталі, титану, молібдену, цирконію та інших металів, що є компонентами деяких спеціальних сплавів. Зросло виробництво речовин, що використовують для виплавляння спеціальних сталей (наприклад, нержавіючих і жаротривких), а також алюмінієвих сплавів і сталей з особливими фізичними властивостями.
Цікаво знати
– Уже півтора тисячоліття стоїть на одній із площ Делі залізна колона заввишки 7,3 м, діаметром приблизно 40 см в основі і 30 см при вершині та масою 6,5 т (мал. 4). Колона була зведена в 415 році н. е., але, незважаючи на спекотний і вологий клімат Індії, на ній немає жодної і ржавої плями. Це пояснюється тим, що колона виготовлена із чистого заліза (99,7 %) із незначним вмістом інших хімічних елементів. Чисте залізо не іржавіє.
Мал. 4. Залізна колонна в Делі: а – загальний вигляд; б – фрагмент поверхні
– Екскаватор – від латинського слова, яке означає “видобувати”.
– В Україні на Донецькому та Новокраматорському (НКМЗ) машинобудівних заводах виготовляють екскаватори, які забезпечують виконання близько половини всіх землерийних робіт.
– Найбільший кар’єр із видобутку мідної руди, що має назву Бінам і розташований у США, має ширину понад 4000 м і глибину 1500 м. Мідну руду в ньому видобувають уже впродовж ста років.
– Термін “дюралюміній” утворився в результаті поєднання назви німецького міста Дюрен, де вперше почали виготовляти цей сплав, і слова “алюміній”.
Чи добре засвоїли?
1. 3а якими ознаками можна відрізнити метали від інших конструкційних матеріалів?
2. Яка різниця між металом і сплавом?
3. Які з найважливіших металів добувають з рудних родовищ?
4. Назвіть метали і сплави, які широко використовують у побутовій техніці та сучасній промисловості.
(2 votes, average: 3,50 out of 5)