РОЗДІЛ 1 ОСНОВИ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА
– Властивості та виготовлення тонколистового металу, види тонколистового металу та його застосування
– Властивості та виготовлення дроту, види дроту та його застосування
ВИДИ ТА ПРИЗНАЧЕННЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ. ТОНКОЛИСТОВИЙ МЕТАЛ ТА ДРІТ
§ 4. ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИГОТОВЛЕННЯ ТОНКОЛИСТОВОГО МЕТАЛУ, ВИДИ ТОНКОЛИСТОВОГО МЕТАЛУ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ
Опорні поняття: властивості металів; механічні
Одним із найпоширеніших конструкційних матеріалів для виготовлення багатьох предметів, що нас оточують, е метали у завдяки наявності в них сукупності корисних властивостей: твердість, міцність, пружність, пластичність, стійкість до високих температур та агресивних середовищ тощо.
Важливо знати властивості металів, щоб вміти раціонально та відповідно до призначення виробу добирати той чи інший метал для його конструкції.
Відомо, що метали добре проводять електричну енергію, тому їх широко використовують для виготовлення електричних
Мал 15. Переносна лампа розжарення як приклад використання електропровідних властивостей металів
Мал. 16. Чавунний радіатор опалення
Усі метали добре передають тепло у тому із деяких з них (чавун, сталь, алюміній) виготовляють радіатори водяного опалення, які встановлюють у житлових будинках та офісних і виробничих приміщеннях (мал. 16).
Деякі метали мають магнітні властивості (чорні метали, за винятком нержавіючих сталей), і тому з них виготовляють магніти, які мають здатність притягувати до себе предмети, виготовлені з магнітних матеріалів (мал. 17). Ця властивість робить магніт однією з найважливіших деталей у виробництві електродвигунів та інших електроприладів.
Гладенька поверхня металу добре відбиває світло, цю властивість металів використовують у виробництві дзеркал, коли зворотний бік скла вкривається дуже тонким шаром блискучого металу (алюміній, срібло). Блискуча поверхня деяких металів (нержавіючі сталі) дозволяє використовувати їх для виготовлення предметів техніки та побуту без додаткового оздоблення (мал. 18).
Мал. 17. Магніт притягує предмети із заліза, сталі, нікелю, чавуну
Мал. 18. Виріб із металу, зовнішня поверхня якого не потребує додаткового оздоблення
Мал. 19. Кування розігрітого металу
За звичайних температур майже всі метали перебувають у твердому стані й можуть широко використовуватися як конструкційний матеріал. У разі нагрівання до температури від декількох сотень до тисячі градусів за Цельсієм метали спочатку стають м’якими і піддаються обробці куванням (мал. 19). Кожен метал має свою температуру плавлення, досягнувши якої, він переходить у рідкий стан. Націй властивості металів базується ливарне виробництво (мал. 20).
Мал. 20. Розливання рідкого металу
Так само, як деревинні матеріали, метали мають механічні та технологічні властивості.
До основних механічних властивостей металів відносимо міцність, пластичність, пружність, твердість.
– Міцність металу чи сплаву характеризує його здатність витримувати механічні навантаження.
Залежно від характеру дії зовнішніх сил розрізняють міцність на розтяг, стиск, згин, кручення тощо. Проілюструємо кожен з видів міцності на прикладі роботи деталей велосипеда. Велосипедний важіль приводу гальм з’єднується із самими гальмами за допомогою сталевого – тросика. Маючи достатню міцність на розтяг, трос передає зусилля на велосипедні гальма. Колісний обід витримує стиск від гальмівного механізму і зупиняє велосипед. Під час руху велосипедист натискає ногами на важелі з педалями, при цьому важелі витримують зусилля на згин. У свою чергу вісь, на якій закріплені важелі з педалями та зірочка з ланцюгом, сприймає зусилля на кручення, передаючи обертовий рух задньому колесу.
– Пластичність – здатність металу незворотньо змінювати свою форму й розміри під час деформації. Деформація – зміна розмірів і форми твердого тіла під дією зовнішніх сил (навантажень) або якихось інших впливів (наприклад, температури).
Незначну пластичність або її відсутність називають крихкістю. Велику крихкість, зокрема, має такий чорний метал, як чавун.
Властивість пластичності притаманна такому давно знайомому вам матеріалу, як пластилін. Він завжди набуває тієї форми, яку йому надають, стискаючи чи розгладжуючи його поверхню.
Пластичного деформування зазнають деталі машин і будівель, заготовки під час обробки тиском (кування, вальцювання, штампування, пресування тощо).
– Пружністю металу чи сплаву називають його властивість відновлювати початкову форму й об’єм після припинення дії зовнішніх сил.
Цю властивість добре ілюструє звичайна повітряна кулька. Злегка стискаючи її, ми змінюємо її форму, але варто відпустити кульку, як вона набуває своєї попередньої форми та розмірів.
Пружність є важливою властивістю для металів, з яких виготовляють такі вироби, як пружини, слюсарні лінійки тощо.
– Твердість металу чи сплаву характеризує його властивість чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла.
Наявність у природі матеріалів з різною твердістю забезпечує технічний прогрес. Адже у виробництві, щоб здійснювати перетворення матеріалу, треба мати інструмент, твердіший за перетворюваний матеріал.
Отже, твердість треба враховувати, добираючи інструменти для обробки певного матеріалу.
Метали та сплави також можна охарактеризувати технологічними властивостями. У першу чергу, розглянемо ті з них, які будуть використовуватися під час обробки тонколистового металу та дроту. Такими властивостями є придатність до обробки різанням, гнучкість і здатність витримувати згини без утворення зломів і тріщин.
Придатність металу чи сплаву до обробки різанням характеризує здатність піддаватися обробці різальними інструментами.
Гнучкість характеризує здатність матеріалу чинити опір поздовжньому згину з урахуванням його розмірів.
Перелічені властивості притаманні як дроту, так і тонколистовому металу.
Мал. 21. Сучасна доменна піч та її внутрішня будова
Тонколистовий метал може бути яр; чорним (сталь) і застосовуватися для виготовлення покрівельного заліза, кузовів транспортних засобів і корпусів побутових приладів, так і кольоровим (алюміній, дюралюміній), з якого виготовляють авіаційну та космічну техніку, інші прилади, загальна вага котрих має бути якомога меншою.
Розглянемо процес виготовлення тонколистового чорного металу, оскільки саме з ним ви будете працювати. Цей процес розпочинається з виплавлення чавуну із залізної руди в доменних печах (мал. 21). Сучасні доменні печі – вертикальні печі шахтного типу заввишки до 30-40 м, вони працюють безперервно протягом 5-10 років.
Чавун – сплав заліза, що містить понад 2 % вуглецю. Звичайний чавун характеризується відносною простотою і дешевизною виробництва, він має високі ливарні властивості, достатню міцність і високу крихкість.
Найбільша частина виплавленого чавуну (до 80-85 %) надходить на виробництво сталі.
Вихідними матеріалами для виробництва сталі є чавун і залізний брухт, найстарішим способом виробництва сталі є виплавляння в мартенівських печах (мал. 22).
Мал. 22. Мартенівська піч та її внутрішня будова
Сталь – сплав заліза з вуглецем (до 2 %) та іншими домішками. Залежно від кількості та складу домішок одержують сталі з різноманітними властивостями. Звичайна сталь має високі міцність, пластичність, пружність. Головною складовою, що визначає властивості сталі, є вуглець. Із збільшенням його вмісту міцність сталі підвищується, а здатність до пластичної деформації – знижується.
Тонколистовий метал виробляють на прокатних станах металургійних заводів. У процесі виготовлення злиток нагрівають з метою надання йому більшої пластичності. Після цього він проходить через багато пар валків, які поступово стискають його і перетворюють на лист потрібної товщини, яку задають налаштуванням прокатного стану. На мал. 23 показано схему прокатки гарячекатаних сталевих листів.
Мал. 23. Схема виробництва тонколистового металу методом гарячої прокатки
Із виробленої листової сталі виготовляють сталеві заготовки, які є конструкційним матеріалом для виготовлення різноманітних виробів за різними технологіями. Тож цього року ви долучитеся до процесу ручного виготовлення виробів із тонколистового металу.
Листовий метал широко застосовується в різних галузях господарства. Тонколистовий метал може виготовлятися як на основі чорних, так і кольорових металів. Також його ще розрізняють за способом отримання: гарячекатаний (заготовки перед прокатуванням зазнають певного нагріву) та холоднокатаний тонколистовий метал.
Як холодно так і гарячекатаний сталевий лист надходить до споживача у вигляді окремих листів стандартного розміру (мал. 24, а) або згорнутим у рулони (мал. 24, б).
Мал. 24. Продукція сталепрокатного виробництва: а – нарізання прокату листами; б – згортання прокату в рулон
Гарячекатаний сталевий лист (мал. 23), що виготовляється методом гарячої прокатки і має товщину від
0,35 мм до 4 мм, застосовують і в будівництві для виготовлення металоконструкцій, і в машинобудуванні, й у виготовленні побутової техніки, його використовують як стіновий і покрівельний матеріал у будівництві швидкомонтованих модульних будівель, павільйонів та окремих приватних будівель. На відміну від холоднокатаного листового металу, який для запобігання корозії можна покривати різними захисними плівками, гарячекатана сталь після виготовлення з неї виробів і конструкцій підлягає фарбуванню.
Сталь листова холоднокатана також виготовляється завтовшки від 0,35 до 4 мм. Тонкий металевий холоднокатаний лист використовують для виготовлення штампованих деталей автомобільних кузовів, корпусів побутової техніки, хвилястих металевих листів (профільованого настилу), перфорованих листів, покрівельних і стінових профільних листів, як оцинкованих, так і з полімерним покриттям. Крім того, сталевий холоднокатаний лист отримав великий попит у будівництві, машинобудуванні та електроенергетиці. Сталевий холоднокатаний лист використовують також для різних механізмів і конструкцій.
Зазвичай листовий метал, товщина якого менша за 2 мм, називають тонколистовим. Залежно від товщини та виду покриття тонколистовий метал поділяють на покрівельну сталь, жерсть, фольгу.
Покрівельна сталь – покрівельне залізо, листи з м’якої сталі (завтовшки 0,25-2 мм), призначені головним чином для облаштування крівлі будівель, а також для виготовлення металевої тари і виробів широкого вжитку. Покрівельне залізо зазвичай виробляють гарячим плющенням на тонколистових станах або холодним плющенням на смугових станах із подальшим відпалюванням для підвищення пластичності. Для оберігання від корозії покрівельне залізо часто вкривають тонким шаром цинку (оцинкована тонколистова сталь). Частина покрівельного заліза випускається у вигляді гофрованих листів. Це тонкі металеві листи завтовшки 0,25- 2,00 мм. Покрівельну сталь також застосовують для виготовлення водостічних труб, відер, вентиляційних каналів тощо.
Жерсть – це холоднокатана листова сталь, завтовшки 0,08-0,32 мм. Для оберігання жерсті від корозії на її поверхню наносять захисні металеві або лакофарбні покриття (олово, спеціальні лаки тощо). Найбільшого поширення набула жерсть, покрита шаром олова (біла, або луджена). Залежно від способу нанесення захисного шару олова, його товщина становить тисячні долі міліметра і менше. Перспективним є використання жерсті з безолов’яним покриттям дуже тонким шаром металевого хрому, поверх якого ще наносять шар захисного лаку.
На металообробних підприємствах жерсть випускають у листах розмірами (512… 1000) х (712… 1200) мм, або в рулонах завширшки до 1 м, масою до 15 т. Завдяки жорсткості й придатності для глибокого штампування жерсть широко використовується для виготовлення металевої тари (головним чином консервної). Жерстянобанкове виробництво займається виготовленням банок, призначених головним чином для консервації і розфасовки харчових і хімічних продуктів. Таке виробництво оснащене автоматичними лініями продуктивністю 400-500 банок за хвилину. Бляшані банки і кришки до них виготовляють із тонкого листового або рулонного сталевого прокату, поверхня якого з обох боків покрита оловом (білої жерсті), із чорної лакованої або хромованої жерсті, а також із жерсті, покритої іншими захисними матеріалами, дозволеними органами охорони здоров’я для використання у виготовленні харчової тари. Також із жерсті виготовляють дитячі іграшки та ін.
Фольга – від латинського слова folium – аркуш, металева стрічка (завширшки 5 -1000 мм і завтовшки 0,001-0,2 мм) із кольорових, рідких, благородних металів і сталі. Традиційний спосіб вироблення фольги завтовшки 0,02 мм і більше – рулонне плющення з витягненням у багатовалкових станах (4-, 6- або 12-валкових); тоншу фольгу (0,0045-0,01 мм) виготовляють плющенням здвоєних заготовок (з подальшим розділенням). Для вироблення фольги мінімальної товщини із матеріалів, плющення яких складне або неможливе, а також біметалічної (такої, що складається з двох різних металів) або багатошарової фольги з шарами з різних металів і сплавів застосовують вакуумне випаровування розплавленого металу з осадженням його пари на спеціальній стрічці-підкладці і подальшим відділенням від неї фольги. Найбільш поширена алюмінієва фольга – гладка, без покриття, а також анодована, лакована або забарвлена. Випускають також кашировану фольгу (склеєну з папером, плівкою, тканиною); це підвищує експлуатаційні характеристики фольги і забезпечує економію металу. З фольги виготовляють екрануючі обгортки для телевізійних кабелів і деталей радіоапаратури, фольгу використовують для упаковки харчових продуктів, парфюмерних і хімічних виробів тощо.
Цікаво знати
· Термін “метал” походить від грецького слова “металон”, яке, у свою чергу, народилося від латинського “металум”, що в перекладі означає – шахта, руда, копальня.
· У сиву давнину людство познайомилося із залізом, яке містилось у метеоритах. Єгиптяни називали такий метал небесним, а греки та мешканці Північного Кавказу – зірковим.
· До XV ст. листовий метал кували вручну. Робота ця була довгою і дуже важкою. Перші прокатні верстати також діяли завдяки ручній праці. Пізніше людину замінило водяне колесо. Такі прокатні верстати називали “давильними машинами”. Спочатку на них обробляли м’які кольорові метали. Залізо почали прокатувати майже 450 років тому.
Чи добре засвоїли?
1. Які механічні властивості металів ви знаєте?
2. Як називають пристрій, у якому виплавляють сталь?
3. З якою метою сталь нагрівають перед прокаткою?
4. Яку жерсть називають чорною, а яку – білою?
5. Де застосовують покрівельну сталь?
6. Який листовий метал називають фольгою?
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНА РОБОТА 2
ОЗНАЙОМЛЕННЯ ІЗ ЗОВНІШНІМ ВИГЛЯДОМ ТА ВЛАСТИВОСТЯМИ РІЗНИХ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ
Обладнання та матеріали:
· лабораторні ваги для зважування;
· зразки листового металу;
· зразки для виконання проб;
· напилки;
· лещата.
Послідовність виконання роботи
1. Уважно розгляньте запропоновані зразки, визначте назву металу, керуючись наданим описом металів, що характеризують їх колір і вагу.
2. Зважте зразки на вагах і запишіть послідовно, відповідно до зростання ваги, їх назви в таблицю.
Номер Зразка | Назва Металу | Колір Металу | Властивості листового Металу |
1 | |||
2 | |||
3 |
3. Спробуйте зігнути зразки металу руками.
4. Спробуйте обробити зразки напилком.
5. Висновки, які ви зробите після виконання проб (гнучкість, пружність, твердість), запишіть у таблицю (у графу “Властивості листового металу”).
6. Результати роботи покажіть учителю.
(2 votes, average: 3,00 out of 5)