Металеві матеріали та вироби

Метали - найпоширеніші і широко використовуваний матеріал у виробництві та в побуті людини. Особливо велике значення металів у наш час, коли велику кількість їх використовують у машинобудівній промисловості, на транспорті, в промисловому, житловому і дорожньому будівництві, а також в інших галузях народного господарства.  

Термін «метал» походить від грецького слова mйtallon (від metallйu - викопують, добуваю з землі), яке означало первісно копальні, рудники (в цьому сенсі воно зустрічається в Геродота, 5 ст. до н.е..). У стародавні часи і в середні століття вважалося, що існує тільки 7 металів: золото, срібло, мідь,олово, свинець, залізо, ртуть. За алхімічними уявленнями, метали зароджувалися в земних надрах під впливом променів планет і поступово вкрай повільно удосконалювалися, перетворюючись на срібло та золото. Алхіміки вважали, що метали - складні речовини, що складаються з «початку металлічності» (ртуті) і «початку горючості» (сірки). На початку 18 ст. отримала поширення гіпотеза, згідно з якою метали складаються з землі і «Початку горючості» - флогістону. М.В.Ломоносов налічував 6 металів (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) і визначав метал як «світле тіло, яке кувати можна». В кінці 18 ст. А.Л.Лавуазьє спростував гіпотезу флогістону і показав, що метали - прості речовини. У 1789 Лавуазьє в керівництві з хімії дав список простих речовин, в який включив всі відомі тоді 17 металів (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мірі розвитку методів хімічного дослідження число відомих металів зростало. У І пол. 19 ст. були відкриті супутники Pt, отримані шляхом електролізу деякі лужні і лужноземельні метали, покладено початок розділення рідкоземельних металів, відкриті невідомі метали при хімічному аналізі мінералів. У 1860-1863 рр.. методом спектрального аналізу були відкриті Cs, Rb, Tl, In. Блискуче підтвердилося існування металів, передбачених Д.І.Менделєєвим на основі його періодичного закону.

Відкриття радіоактивності в кінці 19 ст. спричинило пошуки природних радіоактивних металів, які увінчалися повним успіхом. Нарешті, методом ядерних перетворень починаючи з середини 20 ст. були штучно отримані радіоактивні метали, зокрема трансуранові елементи.

Наприкінці 19 - початку 20 ст. отримала фізико-хімічну основу металургія - наука про виробництво металів з природної сировини. Тоді ж почалися дослідження властивостей металів і їхніх сплавів в залежності відскладу і будови.

Наука про метали сьогодні розвивається у наукових центрах з застосуванням електронних мікроскопів та іншої сучасної апаратури, з використанням досягнень рентгенографії та фізики твердого тіла. Все це дозволяє більш глибоко вивчити будову металів і сплавів і знаходити нові шляхи підвищення механічних та фізико-хімічних властивостей. Створюються надтверді сплави, сплави з заздалегідь заданими властивостями, багатошарові композиції з широким спектром властивостей і багато інших металеві, алмазні і кераміко-металічні матеріали.  

У будівництві широко застосовують різні матеріали у вигляді металопрокату і металевих виробів. Метали, що застосовуються в будівництві, ділять на дві групи: чорні (залізо і сплави) і кольорові. Залежно від змісту вуглецю чорні метали поділяють на чавун і сталь.

Чавун - залізовуглецевих сплав з вмістом вуглецю від 2% до 6,67%. Залежно від характеру металевої основи він ділиться на чотири групи: сірий, білий, високоміцний і ковкий.

Сірий чавун - містить 2,4-3,8% вуглецю. Він добре піддається обробці, має підвищену крихкість. Його використовують для лиття виробів, що не піддаються ударним впливам.

Білий чавун - містить 2,8-3,6% вуглецю, має високу твердість, проте він крихкий, не піддається обробці, має обмежене застосування.

Високоміцний чавун отримують присадкою в рідкий чавун магнію 0,03-0,04% він має той же хімічний склад, що і сірий чавун. Він має найбільш високі міцнісні властивості. Його застосовують для відливання корпусів насосів, вентилів.

Ковкий чавун - отримують тривалим нагріванням при високих температурах виливків з білого чавуну. Він містить 2,5-3,0% вуглецю. Його застосовують для виготовлення тонкостінних деталей (гайки, скоби...). У водогосподарському будівництві застосовують чавунні плити - для облицювання поверхонь гідротехнічних споруд, що піддаються стирання наносами, чавунні водогінні засувки, труби.

Сталі - одержують у результаті переробки білого чавуну в мартенівських печах. Зі збільшенням у сталях вмісту вуглецю підвищується їх твердість і крихкість, в той же час знижується пластичність і ударна в'язкість.

Механічні і фізичні властивості сталей значно поліпшуються при додаванні в них легуючих компонентів (нікелю, хрому, вольфраму). Залежно від змісту легуючих компонентів стали діляться на чотири групи: вуглецеві (легуючі елементи відсутні), низьколеговані (до 2,5% легуючих компонентів), середньолегованих (2,5-10% легуючих компонентів), високолеговані (більше 10% легуючих компонентів) .

Вуглецеві сталі в залежності від вмісту вуглецю поділяють на низьковуглецеву (вуглеці до 0,25%), середньовуглецеву (0,25-0,6%) і високовуглецеву (0,6-2,0%).

При виконанні будівельно-монтажних робіт застосовують різні способи обробки металів: механічну, термічну, зварювання. До основних способів виробництва металевих робіт належить механічна гаряча і холодна обробка металів.

При гарячій обробці метали нагрівають до певних температур, після чого їм надають відповідні форми і розміри в процесі прокату, під впливом ударів молота або тиску преса.

Холодну обробку металів поділяють на слюсарну і обробку металів різанням. Слюсарну та обробка складається з таких технологічних операцій: розмітки, рубки, різання, виливки, свердління, нарізки.

Обробку металів різанням здійснюють шляхом зняття металевої стружки ріжучим інструментом (точіння, стругання, фрезерування). Її виробляють на металорізальних верстатах.

Для поліпшення будівельних якостей сталевих виробів їх піддають термічній обробці - гартуванню, відпуску, відпалу, нормалізації і цементації.

Загартування полягає в нагріванні сталевих виробів до температури, трохи вище критичної, деякою витримці їх нині певній температурі і в наступному швидкому охолодженні їх у воді, маслі, масляної емульсії. Температура нагрівання при загартуванні залежить від вмісту в сталі вуглецю. При загартуванні збільшується міцність і твердість сталі.

Відпустка полягає в нагріванні загартованих виробів до 150-670°C (температура відпустки), вироблення їх при цій температурі (залежно від марки стали) і наступному повільному чи швидкому охолодженні в спокійному повітрі, воді, мулі, олії. У процесі відпустки підвищується в'язкість стали, зменшується внутрішнє напруження в ній і її крихкість, поліпшується її оброблюваність.

Відпал полягає в нагріві сталевих виробів до певної температури (750-960°C), витримці їх при цій температурі і наступному повільному охолодженні в печі. При відпалі сталевих виробів знижується твердість сталі, також поліпшується її оброблюваність.

Нормалізація - полягає в нагріванні сталевих виробів до температури дещо вищої, ніж температура відпалу, витримці їх при цій температурі і наступному охолодженні на спокійному повітрі. Після нормалізації виходить сталь з більш високою твердістю і дрібнозернистою структурою.

Цементація - це процес поверхневого вуглецювання сталі з метою отримання у виробів високої поверхневої твердості, зносостійкості і підвищеної міцності; при цьому внутрішня частина сталі зберігає значну в'язкість.