§ 1. Поняття про метали та їх сплави. Сталь

1.    Які конструкційні матеріали використовують для виготовлення виробів?

Тобі вже доводилося виготовляти вироби з деяких конструкційних матеріалів - деревини, дроту, листового металу. Серед конструкційних матеріалів найбільшим попитом користуються метали. Вони міцні, є хорошими провідниками електричного струму, піддаються ручній і механічній обробці різальними інструментами, куванню, штампуванню, мають багато інших важливих властивостей, про які ти дізнаєшся в цьому параграфі та в подальшому на уроках трудового навчання.

Від застосування металів залежить розвиток різних галузей виробництва. Важко уявити галузь промисловості, у якій би не використовувався метал. Із чорних та кольорових металів виготовляють авіаційну й космічну, військову та сільськогосподарську техніку, вироби домашнього вжитку, побутову техніку, машини та обладнання для обробки різних конструкційних матеріалів тощо (мал. 1).

Найпоширенішим металом є залізо. У природному стані воно існує переважно у вигляді залізної руди. З неї на металоплавильних підприємствах під дією високих температур виплавляють метал. Розплавлений метал розливають у ливарні форми для подальшого затвердіння під час охолодження й утворення ливарних зливків (мал. 2).

Потім зливки піддають стисканню потужними пресами або молотами. У результаті отримують заготовки у вигляді металевих профілів великих розмірів (мал. 3).

Металеві плити на прокатних станах пропускають між механічними валками різного профілю (мал. 4).

Виплавляння металу здійснюють сталевари. Сталевар - робітник-ме-талург, фахівець з виплавляння сталі й чавуну. Він працює в сталеплавильному цеху металургійного заводу.

Механічні валки (калібровані) мають спеціальні вирізи, відповідно до потрібної конфігурації прокату. Кільцевий виріз в одному валку (мал. 5) називають струмком 1, а просвіт двох струмків, розташованих один над одним із зазором S, - калібром 2.

У результаті пропускання плит між валками дістають потрібну споживачам готову металопродукцію з різним профілем поперечного перерізу, яку називають сортовим прокатом. Форму поперечного перерізу сортового прокату називають профілем. Залежно від профілю, сортовий прокат буває простого та фасонного профілів.

До прокату простого профілю належать штабовий, квадратний, шестигранний, круглий, сегментний, а до фасонного - кутовий, тавровий, двотавровий, рейковий та ін. (мал. 6).

Сортовий прокат випускають як із чорних, так і з кольорових металів (мал. 7).

Для виготовлення якісних виробів металопродукція повинна мати певні механічні й технологічні властивості.

Тобі вже відомо, що до механічних властивостей належать міцність, твердість і пружність. Для металів, крім згаданих, характерні також такі механічні властивості, як пластичність і крихкість.

Пластичність — це здатність металу під дією зовнішньої сили змінювати форму та розміри (без утворення тріщин, розривів) і зберігати цю форму після припинення дії зовнішньої сили.

Крихкість — властивість металу руйнуватися під дією зовнішніх сил.

Властивості матеріалів ураховують під час виготовлення виробів, спорудження будівель, конструювання різного виду техніки. Крихкі метали використовують для виготовлення станин верстатів, будівництва стін, а пружні - для виготовлення мостів, залізничних полотен, телевеж тощо. Як ти вважаєш, чому?

Перед застосуванням металу для реалізації певного проекту його випробовують за допомогою спеціальної техніки. Випробування дають змогу встановити, чи витримає матеріал навантаження та інші впливи на нього.

Під час експлуатації виробів із металів та їх сплавів доводиться стикатися з явищем руйнування цих конструкційних матеріалів під дією навколишнього середовища. Руйнування металів і сплавів унаслідок взаємодії їх з навколишнім середовищем називають корозією (мал. 8).

Корозія призводить до погіршення механічних властивостей металу, що може спричинити вихід з ладу деталей машин, механізмів, руйнування будівель, мостів, інших споруд (мал. 9).

Підраховано, що прямі втрати заліза від корозії становлять близько 10 % його щорічної виплавки. Унаслідок корозії металеві вироби втрачають свої цінні технічні властивості. Тому важливе значення мають методи захисту металів та сплавів від корозії. Для запобігання цьому явищу поверхні металів обробляють захисними покриттями. Вони бувають металічними (покриття цинком, оловом, свинцем, нікелем, хромом та іншими металами) і неметалічними (покриття лаком, фарбою, емаллю та іншими речовинами). Ці покриття впродовж певного часу ізолюють метал від взаємодії із зовнішнім середовищем. Нині виробляють також

сплави з антикорозійними властивостями. Із цією метою до складу сталі вводять близько 12 % хрому, в результаті чого отримують сплав, стійкий проти корозії (мал. 10).

Характерними ознаками металу є блиск і колір. За кольором можна визначити вид металу. Наприклад: золото - метал жовтого кольору, срібло - білого, платина - сріблясто-білого, мідь - червонуватого, алюміній -сріблястого, цинк - синювато-білого, свинець - синювато-сірого, титан -темно-сірого (мал. 11).

Знання властивостей металів та інших матеріалів, умов їхнього застосування необхідні для конструювання виробів. У виробництві для виготовлення різних деталей потрібні матеріали з властивостями, яких не мають чисті метали. Тому, використовуючи різні способи виробництва, виплавляють не чисті метали, а сплави металів, які мають необхідні властивості. Сплави утворюються способом змішування двох або більше розплавлених металів чи металів з неметалами.

До найпоширеніших сплавів належать чавун і сталь (мал. 12).

Чавун - це сплав заліза з карбоном, у якому міститься від 2,14 до 6 % карбону.

Чавун твердий, але крихкий. Значно міцніша за чавун сталь.

За хімічним складом сталі бувають вуглецеві та леговані.

Вуглецеві сталі - це сплав заліза з вуглецем, у якому міститься до 2,14 % карбону. У вуглецевих сталях є також домішки: марганець (0,1-1 %), кремній (до 0,4 %), сірка (до 0,13 %) і фосфор (до 0,09 %). Наявність домішок навіть у невеликій кількості суттєво впливає на властивості сталі.

Для надання сталі необхідних властивостей до її складу вводять спеціальні добавки, які називають легуючими елементами, кожен з яких позначається на маркуванні великою літерою. Як легуючі елементи використовують кремній - С, хром - X, нікель - Н, молібден - М, марганець - Г, вольфрам - В, алюміній - Ю, мідь - Д, кобальт - К, ванадій - Ф та ін.

Сталі, у яких, окрім звичайних домішок, містяться спеціально введені добавки, називають легованими.

Залежно від призначення сталі поділяють на конструкційні, спеціальні та інструментальні. До конструкційних належать сталі, у яких уміст карбону становить не більше ніж 0,65 %. Вони розподіляються на вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості (Ст. 1, Ст. 2, Ст. 7) і вуглецеві конструкційні сталі підвищеної якості (Ст. 08, Ст. 20 і до Ст. 65). Цифра в марках сталей указує на вміст карбону в сотих частках відсотка. Конструкційні сталі підвищеної якості мають кращі механічні властивості, ніж звичайні.

До легованих конструкційних сталей належать такі, у яких уміст карбону становить не більше ніж 0,65 % і які мають у своєму складі легуючі елементи.

Легуючі елементи надають сталі в’язкості, стійкості проти спрацювання

1    корозії та багатьох інших властивостей.

Позначення марок легованих конструкційних сталей складається із цифр і букв. Двозначні цифри, які стоять перед буквами, показують уміст карбону в сотих частках відсотка. Якщо вміст легуючого елемента перевищує 1 %, то після літери, яка означає назву легуючого елемента, ставиться цифра, що означає його вміст у відсотках. Наприклад, сталь 18ХГТ містить 18 % хрому, титану - 1 %, марганцю - близько 1 %. Леговані конструкційні сталі використовують для виготовлення найважливіших деталей машин.

Спеціальні сталі - леговані сталі особливого призначення. До них належать, наприклад, нержавіючі, жаротривкі, жароміцні, магнітні, сплави високого електричного опору та ін.

До інструментальних належать сталі, що містять карбону понад 0,65 %. Інструментальні сталі за хімічним складом бувають вуглецеві, леговані та високолеговані.

Основні марки вуглецевих інструментальних сталей такі: У7, У8, У7А, У8А і до У13А. Літера У означає, що сталь вуглецева, цифра після неї вказує на вміст карбону в десятих частках відсотка. Літерою А позначають високоякісну вуглецеву сталь, у якій уміст сірки й фосфору разом не перевищує 0,05 %.

До легованих інструментальних сталей належать такі, що мають від

2    до 6 % легуючих елементів. Високолеговані інструментальні сталі містять вольфрам, хром, ванадій у значній кількості.

У машинобудуванні також широко застосовують кольорові метали, а саме: мідь, алюміній, цинк, олово, свинець, магній, хром, нікель та ін. Використовують їх переважно у вигляді сплавів.

Елементи, які входять до складу сплавів кольорових металів, позначають буквами алфавіту: алюміній - А, залізо - Ж, марганець - Мц, нікель - Н, олово - О, свинець - С, цинк - Ц, берилій - Б, фосфор - Ф.

Сплави кольорових металів бувають двох видів - на мідній і алюмінієвій основі.

До сплавів на мідній основі належать латуні та бронзи.

Латунь - це сплав міді з цинком та іншими елементами. Вона в’язка і пластична, добре обробляється тиском і різанням.

Латуні позначають літерою Л і числом, що означає вміст міді. Наприклад, латунь марки Л80 містить 80 % міді та 20 % цинку.

Бронза - це сплав міді з оловом, алюмінієм, нікелем, берилієм, цинком, свинцем та іншими елементами. Позначають марку бронзи буквами й цифрами. Знак Бр означає бронза; інші літери означають наявність інших елементів, а цифри - кількість у відсотках елементів, уведених у бронзу. Наприклад, марка бронзи Бр ОЦС6 - 6-3 означає, що сплав має олова - 6 %, цинку - 6 %, свинцю - 3 %, міді - 85 %.

До складу алюмінієвих сплавів входить алюміній як основний компонент, а також мідь, цинк, магній, марганець, кремній і залізо.

Алюмінієві сплави поділяють на дві групи: ливарні, що застосовують для виготовлення деталей відливанням, і деформовані, або ковальські, з яких виготовляють дріт, листи, профільний алюміній, а також деталі виробів.

До кольорових сплавів також належать дюралюміній - сплав алюмінію з міддю, марганцем і кремнієм, що завдяки високій міцності й малій масі широко використовується в літакобудуванні та багатьох галузях виробництва; мельхіор - сплав міді, алюмінію і хрому; титан - сплав алюмінію, хрому, молібдену, ванадію та ін.

У вільному стані в природі трапляються тільки хімічно стійкі метали: мідь, срібло, золото, платина. Та іноді спостерігаються дивовижні речі: в Індії, наприклад, уже дуже довго стоїть колона з майже чистого заліза, що не ржавіє і не піддається руйнуванню корозією (мал. 13). Чистого заліза, як правило, у природі не буває, оскільки воно швидко окислюється.

До цього часу точно не встановлено, яку технологію було застосовано для отримання заліза, з якого виготовлено цю споруду. Можливо, використовуючи сучасні знання з хімії і фізики, цю загадку зможеш розгадати саме ти?

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1 Визначення металів за їхніми основними властивостями

Обладнання, інструменти і матеріали: слюсарні лещата, напилки, молотки, кернери; заготовки зі сталі, чавуну, міді, дюралюмінію; секундомір або годинник.

Послі довні сть виконання роботи

1.    Ознайомся із заготовками з різних металів і сплавів.

2.    Виконай маркування заготовок (познач їх номер).

3.    Почергово затисни заготовки в лещатах та виконай обпилювання. Час обпилювання та інтенсивність рухів напилком при обпилюванні кожної заготовки повинні бути однаковими.

4. Порівняй зусилля, які затрачаються під час обпилювання кожної із заготовок.

5.    Зверни увагу на характерний для металів блиск і визнач колір кожної з обпиляних заготовок.

6.    За допомогою молотка нанеси легкі удари по кернеру, установленому почергово на кожному зі зразків.

7.    За твердістю, кольором заготовки визнач назву металу.

8.    Дані запиши в таблицю.

Пластичність, крихкість, корозія, антикорозійні матеріали, сортамент, сортовий прокат.

Випробування - перевірка якостей, властивостей предметів та стійкості до певного впливу на них.

Деформація - зміна форми або розмірів тіла під дією прикладених сил. Корозія - руйнування металів і сплавів унаслідок взаємодії їх з навколишнім середовищем.

Опір - здатність матеріалу протидіяти зміні його форми.

Руйнування - порушення цілісності чого-небудь.

1.    Які властивості металів належать до механічних?

2.    Для чого необхідно знати властивості металів?

3.    Яке явище називають корозією металів? Як їй запобігти?

4.    Що називають сортаментом металів? Які види сортаменту випускає промисловість?

5.    З якою метою виготовляють метали з різним профілем?

6.    Які метали називають чорними, а які - кольоровими? Чим різняться їхні властивості?

Тестові завдання

1.    У якому вигляді метали найпоширеніші у природі?

А у чистому вигляді    Б у вигляді сплавів

В у вигляді хімічних сполук    Г зрідка в чистому вигляді

Д у будь-якому вигляді

2.    Що називають поєднанням двох або кількох металів з неметалами?

А сплав    Б чорний метал

В кольоровий метал    Г хімічну сполуку металів

3. Який з наведених переліків містить назви чистих металів?

А мідь, бронза, латунь, силумін

Б залізо, цинк, алюміній, титан, олово В вольфрам, нікель, хром, магній, свинець Г чавун, латунь, мельхіор, дюралюміній Д сталь, цинк, алюміній, нікель

4. До якої групи металів належать залізо та його сплави?

А промислові метали    Б кольорові метали    В важкі метали

Г чорні метали    Д переробні метали

5.    Які з металів є кольоровими?

А залізо    Б    мідь    В    свинець

Г вольфрам    Д    цинк

6.    Які властивості металів належать до механічних?

А міцність    Б    теплопровідність    В    пружність

Г пластичність    Д стійкість проти    корозії

7.    Які властивості металів належать до технологічних?

А пластичність    Б твердість    В зварюваність

Г стійкість проти корозії    Д текучість

8.    Як називається здатність металу або його сплаву сприймати механічні навантаження без руйнування?

А пружність    Б пластичність    В твердість

Г в’язкість    Д    міцність

9.    Чавун - це:

А розплавлений метал Б сплав заліза з карбоном В переплавлений металобрухт Г видалене з металевої руди чисте залізо

10.    Що визначає властивості сталей?

А співвідношення щодо вмісту заліза й карбону Б уміст заліза В уміст домішок у їх складі Г спосіб їх отримання

11. Як називається процес руйнування металів і сплавів унаслідок їх взаємодії із зовнішнім середовищем?

А старіння    Б окислення    В корозія

Г вивітрювання    Д дифузія

Це матеріал з підручника Трудове навчання 8 клас Гащак