Металлургия как область науки и техники, отрасль промышленности

Человечество развивалось  и, вместе с этим, совершенствовалось и производство. Конструкции и  предметы быта, созданные сегодня, могут  прослужить конечному приобретателю свыше нескольких десятилетий, продолжая оставаться такими же качественными и надежными. Создание сплавов позволило вывести использование металлов на новый уровень, позволив изготовлять по-настоящему прочные предмета торговли и комплектующие, которым нестрашны воздействия низких и высоких температур и кислот.

Строительство зданий различного назначения, автомобилестроение, машиностроение и многие другие виды тяжелой и легкойпромышленности невозможны без использования металлов.

Основным достоинством, которое  характеризует металл, является то, что он способен принимать любую  форму под воздействием на него давящего инструмента.

Наиболее часто используемыми  видами сплавов сегодня являются сталь и чугун. Кроме этого, весьма распространенными в промышленности являются материалы, основным элементом  которых является медь или алюминий.

В настоящее время сталь  находится на первом месте по объемам  годового производства металлов и сплавов. Наиболее частый ее состав – это  железо и углерод, количество которого составляет два процента. Также существуют малоуглеродистые и высокоуглеродистые виды стали и сплавы, в которых  добавлен ванадий, Ni или хром. Сталь широко используется не только в промышленности, но и для изготовления предметов, используемых в быту, - ножи, бритвы, ножницы, иглы и т.д. 

 

 

 

 

На втором месте по годовому объему производства находится чугун. Также как и сталь, он представляет собой сплав железа и углерода, однако процент последнего в нем значительно больше, чем в стали. Также в чугун добавляется кремний, который делает сплав особенно прочным. Наибольшее применение чугун нашел в строительстве, где из него изготавливаются трубы, арматура, крышки люков и другие элементы, основным требование к которым является прочность.

Менее распространенными, по сравнению со сталью и чугуном, являются сплавы из алюминия, однако в некоторых  сферах промышленности отказаться от их использования невозможно. Прежде всего, к ним относится машиностроение, пищевая промышленность, изготовление архитектурно-отделочных материалов.

Основным достоинством этого  вида сплавов является то, что они  легко поддаются обработке на металлорежущих станках, а также  сварке и штампованию. Они эко  логичны и совершенно безвредны, что позволяет использовать сплавы алюминия в пищевой промышленности и для перевозки и хранения продуктов. Также сплавы из алюминия стойки к коррозии и имеют высокую  отражательную способность. Ограничением в их применении является то, что подобные сплавы утрачивают свои свойства при высоких температурах, тем не менее, это не мешает использовать их в ряде промышленных задач.

Сложно представить, какой  бы была современная промышленность, если бы не существовал металл. Создание долговечных и надежных конструкций  и предметов быта было бы невозможным, если б человечество не научилось  использовать металлы и создавать  их сплавы. Постоянное развитие металлургии  делает металлы все более совершенными и качественными, поэтому изготовление продукции становится все более  качественным и быстрым.

 

 

 

Сплавы

Наиболее часто используются сплавы алюминия, хрома, купрума, железа, магния, никеля, титана и цинка. Много усилий было уделено изучению сплавов железа и углерода.

Нержавеющая или оцинкованная сталь используется, когда важно  сопротивление коррозии. Алюминиевые  и магниевые сплавы используются, когда требуются прочность и  легкость.

 
 

Медно-никелевые сплавы используются в коррозионно-агрессивных средах и для изготовления не намагничиваемых  предметов торговли. Супер сплавы на основе никеля используются при высоких температурах (теплообменники и т. п.). При очень высоких температурах используются монокристаллические сплавы.

По способу изготовления сплавов различают литые и  порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных  компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим  спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут  быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых  сплавов являются карбиды вольфрама  или титана.

В твердом агрегатном состоянии  сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).

Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые  растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в  том числе карбиды, нитриды) и  кристаллиты простых веществ.

Свойства металлов и сплавов  полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз  и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой  и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической  структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов  достигается за счёт равномерного распределения  фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические  свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную  способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой  сплавов является свариваемость. 

Источники

Википедия – Свободная энциклопедия, WikiPedia

works.tarefer.ru – Рефераты

lomonosov-fund.ru – Знания Ломоносов

autowelding.ru – Металлообработка

oko-planet.su – Око планеты

nplit.ru – Библиотека исследователя 

 

 

 

 

 

 

Применение металла в строительстве  

Металлургическое производство было освоено человеком ещё за 4 тыс. лет до н.э. Выплавка стали и обработка  железа стала доступна человеку в 9-7 вв. до н.э. Именно тогда металл стал распространяться повсеместно при изготовлении судов, транспорта, ну и, конечно же, в строительстве.  
Металл и его сплавы начали делить на две большие группы. В первую группу входили чёрные металлы — железо и его сплавы. Вторая группа металлов была шире. В неё входили все цветные металлы и их сплавы, т.е. такие металлы, в которых не используется железо.  
Обработку чёрных металлов возглавляют чугун и сталь. Естественно, строительство гораздо благосклоннее относится к стали. Это единый сплав железа с углеродом (до 2%). При производстве стали используются и другие элементы, включая кремний, серу, фосфор и марганец. Сталь плавят, прокатывают, прессуют и проволакивают, чтобы изготовить профилированный металл. Это позволяет облегчить процесс изготовления необходимых деталей. Существуют несколько основных металлических профилей. Это прокат, трубы, листовой металл, стержни и проволока.  
Начнём с труб. В канализационных системах используют в основном трубы, изготовленные из чугуна. Стальные трубы используются при передаче пара и газа. Они бывают сварные и бесшовные. Сварка осуществляется внахлёстку. Бесшовные трубы изготавливаются при помощи цельнотянутой технологии.  
Листовой профиль различают по толщине: толстолистовой, тонколистовой и средней толщины металл.  
Проволока различается:  
* по твёрдости и упругости — мягкая и упругая проволока;  
* по форме сечения — круглое, прямоугольное, и квадратное сечение;  
* по типу поверхности — неизолированная, оцинковая, омеднённая и луженая поверхность.  
Среди стержней выделяют круглые, плоские, квадратные и 6-гранные стержни.  
В строительстве, кроме перечисленных выше изделий и металлов, используют также такие элементы, как шайбы, гайки, заклёпки и винты.  
Винты различают по форме головки: барашковый винт, цилиндрический, полукруглый, 6-гранный, полупотайной, полувыпуклый и накатанный винты.  
Гайки, в свою очередь, делят на 6-гранные, квадратные, колпачковые, корончатые (их ещё называют «глухими»), барашковые и гайки с отверстиями.  
Подкладочные шайбы делятся на плоские квадратные и плоские круглые. Бывают также шайбы с внешними и внутренними зубьями, волнистые и пружинные шайбы. Пружинные шайбы также известны как шайбы Гревера.  
Не проходит строительство металлоконструкций и мимо цветных металлов. Эти металлы делятся на лёгкие (алюминий и магний) и тяжёлые (цинк, медь, свинец и олово). По классификации тяжёлым считается цветной металл с удельной массой больше 5 грамм на куб. см. Соответственно, не попадающие под эту плотность металлоконструкции относят к тяжёлым. Лёгкие металлы используются при производстве  таких сплавов, как дюралюминий, электрон и силумин. Из тяжёлых металлов выплавляют бронзу, латунь, припои и нейзильбер. Издавна металлургами примечено, что цветные сплавы обнаруживают гораздо более ценные качественные характеристики, чем металлы, использующиеся при их производстве. Оно и верно. Сплав — это смесь различных металлов. Поэтому в ней реализуются лучшие свойства металлов в совокупности.  
Металлоконструкции  рынка,  торговых залов,  спортивных сооружений, супермаркеты,  промышленных зданий — вот далеко не полный перечень объектов, в которых используют металлоконструкции. Причём здесь присутствует и экономический оттенок. Стоимость возведения таких металлоконструкции обходится на 30-40 % ниже, чем если бы при строительстве металлоконструкции использовались кирпич и железобетон. Немаловажным преимуществом металлоконструкции является и время их возведения. Его требуется заметно меньше, чем при строительстве из других материалов. Металлоконструкции также относительно мобильны. Возведённый объект быстро разбирается и транспортируется на новое место, чего не скажешь о бетонных и железобетонных сооружениях. Попробуйте-ка переместить небольшой кирпичный дом. Что получится при попытке такого «переезда»? Груда кирпичей, не больше.  
Для строительства малоэтажных жилых сооружений и коттеджей применяют облегчённые металлоконструкции. Играет роль не только быстрота и удобство сборки таких изделий, но и их надёжность. Такие изделия с успехом применяются при строительстве домов в Западной Европе и Америке и являются примером надёжности не один десяток лет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Археологические исследования свидетельствуют о том, что человечество добывало металл с давних пор. В частности, обнаруженные в 50—60-х годах XX века в  юго-западной части Малой Азии следы  выплавки меди датируются седьмым-шестым тысячелетием до нашей эры. Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией в 5-6 тысячелетии до н. э. были найдены в Майданпеке, Плочнике^[6] и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет до н. э., относящийся к культуре Винча)^[7], Болгарии (5000 лет до н. э.), Палмеле(Португалия), Испании, Стоунхендже (Великобритания). Однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно определён.

В культуре ранних времён присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» — египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олово из горной породы и получать сплав, названный бронзой, люди в 3500 годы до н. э. вступили в Бронзовый век.

В бронзовом веке (третье—первое  тысячелетие до н.э.) применение получили изделия и орудия труда из сплавов меди с оловом (оловянная бронза). Этот сплав — древнейший сплав, выплавленный человеком. Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тыс. лет до н.э. восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углем. Значительно позже бронзы стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов (алюминиевые, бериллиевые, кремненикелевые и др. бронзы, сплавы меди с цинком, называемые латунью, и др.). Бронзы применялись вначале для производства оружия и орудий труда, затем для отливки колоколов, пушек и т.д. В настоящее время наиболее распространены алюминиевые бронзы, содержащие 5—12 % алюминия с добавками железа, марганца и никеля.^[5]

Вслед за медью человек  стал использовать железо.

Общее представление о  трёх «веках»— каменном, бронзовом и железном — возникло ещё в античном мире (Тит Лукреций Кар). Термин «железный век» был введён в науку в середине XIX века датским археологом К. Томсеном^[5].

Получение железа из руды и  выплавка металла на основе железа было гораздо сложнее. Считается, что  технология была изобретена хеттами примерно в 1200 году до н. э., что стало началом Железного века. В расшифрованных хеттских текстах XIX века до н.э. упоминается о железе как о металле, «упавшем с неба». Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян.

Железная колонна в Дели (Кутубская колонна)

Принято считать, что человек  впервые познакомился с метеоритным железом. Косвенным подтверждением этому является названия железа на языках древних народов: «небесное тело» (древнеегипетский, древнегреческий), «звезда» (древнегреческий). Шумеры называли железо «небесной медью». Возможно, поэтому всё, что было связано в древности с железом, было окружено ореолом таинственности. Люди, добывающие и перерабатывающие железо, были окружены почётом и уважением, к которым примешивалось и чувство страха (их часто изображали колдунами).

В исторической литературе эпоху железного века делят на два периода. Ранний железный век, охватывает период X—V веков до н.э.. Этот период получил название гальштатская культура по названию города Гальштат в Австрии, возле которого были найдены железные предметы того времени. Поздний или «второй железный век» охватывает период V—II веков до н.э.— начало н.э. и получил название латенская культура — по одноименному месту в Швейцарии, от которого осталось много железных предметов. Латенская культура связывается с кельтами, считавшимися мастерами изготовления различных орудий из железа. Большое переселение кельтов, начавшееся в V веке до н.э., способствовало распространению этого опыта на территории Западной Европы. От кельтского названия железа «изарнон» произошли немецкое «айзен» и английское «айрон».

В конце второго тысячелетия  до н.э. железо появилось в Закавказье. В степях Северного Причерноморья в VII—I веках до н.э. обитали племена скифов, создавших наиболее развитую культуру раннего железного века на территории России и Украины.

Вначале железо ценилось очень  дорого, использовалось для изготовления монет, хранилось в царских сокровищницах. Затем оно стало всё активнее использоваться как орудие труда, и  как оружие. Об использовании железа в качестве орудий труда упоминается  в Илиаде Гомера. Там же упоминается о том, что Ахилл наградил победителя дискобола диском из железа. Греческие мастера уже в древние времена использовали железо. В построенном греками храме Артемиды барабаны мраморных колонн храма были скреплены мощными железными штырями длиной 130, шириной 90 и толщиной 15 мм^[5].

Пришедшие в Европу народы с Востока внесли свой вклад в  распространение металлургии. По преданию, колыбелью монголов и туркменов были богатые рудами Алтайские горы. Своими богами эти народы считали тех, кто ведал кузнечным ремеслом. Доспехи и оружие воинственных кочевников из Средней Азии было сделано из железа, что подтверждает их знакомство с металлургией.

Богатые традиции производства изделий из железа имеются в Китае. Здесь, возможно ранее, чем у других народов, научились получать жидкий чугун и делать из него отливки. До наших дней сохранились некоторые уникальные отливки из чугуна, изготовленные в первом тысячелетии н.э., например, колокол высотой 4 и диаметром З метра, массой 60 тонн.

Известны уникальные изделия  металлургов древней Индии. Классическим примером является знаменитая вертикально  стоящая Кутубская колонна в Дели массой 6 тонн, высотой 7,5 метров и диаметром 40 см. Надпись на колонне гласит, что она сооружена примерно в 380—330 годах до н.э. Анализ показывает, она сооружена из отдельных криц, сваренных в кузнечном горне. На колонне нет ржавчины. В захоронениях древней Индии найдено стальное оружие, изготовленное в середине первого тысячелетия до н.э.