Метали і сплави

освоєння металів людиною відображено, зокрема, у поділі розвитку людства на доісторичну (кам’яна доба) й історичну епохи - від освоєння металів до сьогодення.

Рівень розвитку металургійної промисловості, особливо металообробки і машинобудування, вже кілька сотень років є одним з основних показників процвітання і могутності держав.

Поширеність металів у людській діяльності зумовлена поєднанням хімічних, фізичних, механічних і технологічних властивостей цих речовин. Чимало властивостей металів, використовуваних у техніці, пояснюється їх атомною структурою: у твердому стані вони мають кристалічну будову, тобто атоми металів розташовані у певному порядку, утворюючи геометрично правильну кристалічну ґратку. До найважливіших для техніки властивостей металів належать твердість, міцність, пластичність, пружність, електропровідність, теп-лопровідність, стійкість до впливу зовнішнього середовища.

Сплав - однорідна речовина, утворена сплавленням (стопленням) кількох металів або металів з неметалами. Сплави, як і метали, у твердому стані зазвичай мають кристалічну будову.

У природі метали рідко зустрічаються в чистому вигляді. Також рідко в чистому вигляді вони використовуються в технологічних процесах. Це зумовлено складністю очищення

У давнину і в середні віки вважали, що існує тільки сім метал в. Це число відповідало кількості відомих тоді планет: Сонце (золото), Юпітер (олово), Місяць (срібло), Марс (залізо), Меркурій (ртуть), Сатурн (свинець), Вене-ра (мідь). Алхіміки вважали, що ці метали народжуються в надрах Землі під впливом про-

Руда - корисна копалина, природне мінеральне утворення, з якого добувають метали та мінерали.

Пуста порода - частина руди, що не містить ме талу (мінералу).

металів та тим, що багато сплавів мають кращі властивості, ніж чисті метали. Наприклад, сплави міді - латунь і бронза - міцніші за саму мідь, сплави алюмінію - за чистий алюміній, а сталь - за чисте залізо. Крім того, здатність металів утворювати сплави з широким спектром властивостей дає можливість підбирати матеріали, що відповідають конкретним технологічним потребам та економічним умовам.

Найчастіше у вигляді сплавів застосовується і метал, який можна назвати головним металом людської цивілізації упродовж щонайменше останніх трьох тисяч років. Він має багато корисних властивостей і водночас є достатньо поширеним та відносно легко добувається. Це - залізо, що у техніці використовується у формах сплавів з вуглецем. Залежно від вмісту вуглецю ці сплави називаються чавуном або сталлю.

Чавун - сплав заліза з вуглецем зі вмістом вуглецю 2,14-6,67 %. Сталь - сплав заліза з вуглецем зі вмістом вуглецю до 2,14 %.

Масова частка заліза в земній корі становить 5,1 %. За цим показником залізо поступається лише кисневі, кремнію та алюмінію. Однак алюміній тяжче добувається і поступається сплавам заліза за деякими важливими механічними і технологічними властивостями.

Важливість заліза та його сплавів з вуглецем у людській діяльності знайшла своє відображення у традиційному поділі на чорні і кольорові метали. До чорних металів належать сплави заліза з вуглецем та деякими іншими речовинами. Особливе місце у металургії належить марганцю, який часто відносять до чорних металів через його широке застосування у виплавленні сталі. Майже 90 % виробництва металів у світі припадає на сплави заліза.

До кольорових металів відносять решту металів і сплавів (як-от алюміній, мідь, магній, олово, свинець, цинк, нікель тощо та їх сплави).

Ще наочніше протиставлення заліза й усіх інших металів проявляється у класифікаціях, прийнятих у деяких зарубіжних країнах: усі метали там поділяються на «залізні» і «незалізні» (наприклад, у США і Великобританії -ferrous та non-Jerrous metals).

Серед видатних досягнень українських конструкторів - найбільший у світі літак Ан-225 «Мрія». Літак розроблявся як машина для транспортування космічного корабля багаторазового використання «Буран».

Головним конструктором, який розпочинав роботу над літаком, був О. К. Антонов. Конструкторське бюро, яке Антонов очолював багато років, тепер носить його ім’я. А 1988 року в небо піднявся задуманий Антоновим суперван-тажний літак Ан-225 «Мрія», що встановив понад 110 світових рекордів в одному польоті! У 1999 році за видатні досягнення у створенні літаків ім’я О. Антонова занесене до Міжнародної аерокосмічної зали слави Аерокосмічного музею (м. Сан-Дієго, шт. Каліфорнія, США).

Які є види чавуну і сталі

Чавун. Чавун виплавляють у доменних печах із залізної руди з допомогою палива та флюсів (мінеральних речовин, що сприяють зниженню температури плавлення і відділенню заліза від пустої породи).

За складом і будовою чавуни поділяються на білий, або переробний; сірий, або ливарний, ковкий; спеціальний (феросплави).

Білий чавун дуже твердий і крихкий, погано піддасться литтю, важко обробляється різальним інструментом. Він зазвичай іде на переплавку на сталь або на отримання ковкого чавуну і тому називається переробним.

Сірий чавун найбільш широко застосовується в машинобудуванні. Він відзначається низькою пластичністю і в’язкістю, проте легко обробляється різанням, застосовується для маловідповідальних деталей і деталей, що працюють на знос.

Сірий чавун з високим вмістом фосфору (0,3-1,2 %) використовується для художнього лиття.

Твердість слід відрізняти від міцності. Твердість -це властивість матеріалу опиратися проникненню у нього іншого, твердішого тіла. Міцність - властивість матеріалу опиратися руйнуванню, зумовленому внутрішнім напруженням, що виникає під дією зовнішніх навантажень і чинників (розтягування, стискання, згинання, кручення, зміна температури тощо). Наприклад, звичайний чавун відзначається високою твердістю (слабко піддається обробці), однак не є міцним (руйнується під дією навантажень чи ударів).

На твердість сталь випробовують за допомогою спеціальних приладів-твердомірів. Метод вимірювання ґрунтується на вдавлюванні у зразок твердішого матеріалу: кульки з твердої сталі, алмазного конуса або алмазної піраміди. Значення твердості визначають розподілом навантаження на площу поверхні відбитка, що залишається в металі (метод Брінеля), або за глибиною занурення в метал алмазного вістря, сталевої кульки (метод Роквела).

Спеціальний чавун, або феросплав, має підвищений вміст кремнію і марганцю. Феросплави використовуються при виплавленні сталі для видалення кисню, який є шкідливою домішкою.

Сталь. Сталь отримується шляхом переплавки переробного чавуну або металолому. У разі переплавки чавуну зі сплаву видаляється надлишковий вуглець і знижується вміст домішок.

За хімічним складом сталі поділяються на вуглецеві та леговані.

Вуглецеві сталі - це сплави заліза з вуглецем та деякими звичайними домішками. Основним компонентом, від якого залежать властивості отриманої сталі, є вуглець, який підвищує твердість, міцність, пружність, водночас знижуючи пластичність і опірність ударним навантаженням (міцність).

Леговані сталі являють собою сплави, які, крім заліза й вуглецю, мають у своєму складі спеціально введені легуючі елементи, як-ог хром, нікель, вольфрам, молібден, марганець, ванадій тощо. Легуючі елементи значною мірою поліпшують властивості сталей (див. таблицю 1.2).

За призначенням сталі поділяються на конструкційні, інструментальні та спеціальні. Вміст вуглецю у конструкційній вуглецевій сталі становить до 0,6 %. Вміст вуглецю в інструментальній вуглецевій сталі - від 0,7 % і більше. Інструментальна сталь відзначається високими показниками твердості й міцності.

На якості сталі позначається наявність і кількість шкідливих домішок (сірка, фосфор, кисень, азот та ін.). Залежно від виду і обсягу шкідливих домішок виділяють сталі звичайної якості, якісні й високоякісні.

Конструкційна вуглецева сталь звичайної якості - пластична, але має невисоку міцність. Її використовують для виготовлення шайб, болтів, гайок, дроту, цвяхів. З якісних конструкційних сталей виготовляють деталі машин, механізмів, приладів тощо. Також їх широко застосовують у будівництві і на транспорті.

Інструментальні сталі твердіші й міцніші за конструкційні, вони призначені для виготовлення різноманітних інструментів, найчастіше - різальних і контрольно-вимірювальних.

Спеціальні сталі застосовуються для виготовлення виробів, що мають спеціальні властивості. Це, зокрема, нержавіючі, жаростійкі, зносостійкі вироби.

Маркування. Хімічний склад сталі, її якість і наявність легуючих елементів відображаються у спеціальному маркуванні. Маркування конструкційних, інструментальних та інших сталей наводиться у державних стандартах, професійних інформаційно-довідкових матеріалах.

• Конструкційну вуглецеву сталь звичайної якості маркують буквами Ст (сталь) та цифрами 1, 2, 3 і т. д. до 7. Чим більша цифра, тим вища міцність і вміст вуглецю в сталі.

• Вуглецеву якісну конструкційну сталь маркують цифрами 05, 08,10,15, 20, ЗО і т. д., що показують середній вміст у сталі вуглецю в сотих частках відсотка.

• Інструментальну вуглецеву сталь маркують літерою У і цифрою, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8 і т. д.

• Леговані сталі позначаються цифрами та літерами: Г (марганець), С (кремній), Н (нікель), X (хром), В (вольфрам), М (молібден), Т (титан), Ф (ванадій), К) (алюміній), К (кобальт), Д (мідь). Літера А в кінці марки вказує на високу якість сталі. Цифри попереду букв показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, а цифри після букви -приблизний вміст легуючого елемента у відсотках, якщо він перевищує 1,5 %.

1. На які групи й за якими ознаками поділяють метали і сплави?

2. Де використовуються конструкційні, інструментальні, спеціальні сталі? Наведіть приклади.

3. Як маркуються вуглецеві й леговані сталі?

4. Виберіть правильні відповіді.

До чорних металів належить:

а) мідь; б) залізо; в) алюміній.

Що є чистим чорним металом? а) сталь; б) чавун; в) залізо; г) бронза.

До кольорових металів належить: а) мідь; б) залізо; в) чавун.

До технологічних властивостей металів і сплавів належить: а) твердість; б) ковкість; в) пружність; г) в’язкість.

• Твердість - це властивість: а) проводити тепло; б) витримувати високу температуру; в) опиратися проникненню в метал твердіших тіл.

• Як називається властивість металу відновлювати свою форму після припинення дії сили?

а) пружність; б) міцність; в) пластичність; г) крихкість.

• У якому вигляді існують метали?

а) в чистому; б) в чистому вигляді й у вигляді сплавів; в) у вигляді сплавів.

• Де перелічено сплави кольорових металів?

а) бронза, мідь, олово; б) латунь, мідь, цинк; в) бронза, латунь, дюралюміній.

Лабораторно-практична робота ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

Обладнання і матеріали: комплект зразків металів і сплавів та виробів

з них, молоток, напилок, лещата, магніт тощо.

1. Розгляньте зразки металів і сплавів, визначте їх колір.

2. Визначте вид металів, з яких зроблені зразки.

3. З'ясуйте властивості зразка (магнітні, корозійні...).

4. Визначте, для чого використовують матеріал зразка.

5. Розтягніть і відпустіть пружини зі сталевого і мідного дроту. Зробіть висновок про пружність сталі та міді.

6. Покладіть на плиту для рубання металу зразки зі сталевого й алюмінієвого дроту і спробуйте розплющити їх молотком. Зробіть висновок про ковкість сталі та алюмінію.

7. Закріпіть у лещатах сталевий і латунний зразки і проведіть по них напилком. Зробіть висновок, як піддається обробці сталь і латунь.

8. Заповніть таблицю.

Це матеріал з підручника Трудове навчання 8 клас Терещук, Захаревич