Металлы и металлообработка

Металлы и металлообработка

Металлы и металлообработка (metals and metal-working). Металлы — большой класс хим. элементов с характерными св-вами, обусловленными структурой электронных оболочек. Наука о получении металлов и их св-вах известна как металлургия. Расстояние между атомами в металлах невелико, поэтому большинство из них — плотные в-ва. Часть электронов свободно перемещается внутри этих материалов и не связана с к.-л. конкретными атомами. Благодаря этому М. — хорошие проводники тепла и электричества. Атомы М. образуют регулярную структуру, части к-рой могут смещаться относительно друг друга без разрыва связей, чем объясняется ковкость (способность сплющиваться и сгибаться без разрушения) и пластичность (способность вытягиваться в проволоку). По своим св-вам М. сильно различаются, напр., свинец мягок, ему можно придать любую форму вручную, а железо обрабатывается только ковкой при темп-ре красного каления, золото и платина почти инертны, а калий окисляется с выделением большого кол-ва пепла при контакте с водой.
Кристаллическая структура М. — следствие регулярного расположения атомов, ее невозможно увидеть даже на полированной метал, поверхности, состоящей из пестрой мозаики кристаллов неправильной формы — зерен. Размеры, форма, ориентация и состав таких зерен существенно влиют на св-ва металла. Обычно металл с мелкозернистой структурой тверже и прочнее, чем с крупнозернистой. С давних времен металлурги искали способы изменения зернистости структуры металлов для получения требуемого кач-ва. Параметры этих зерен можно регулировать термообработкой, напр. за-калкой, отпуском или отжигом. Добавление даже небольших кол-в др. металлов (в нек-рых случаях менее 1%) к чистому М. (т. е. получение сплава) может существенно влиять на структуру его зерен и, след., на его св-ва. Разнообразие св-в М., к-рые сегодня можно получить, невозможно было и представить 100 лет назад. Практическое использование М. (с момента их открытия), зависит гл. об. от их хим. св-в. Чем более химически активен М., тем труднее извлекать его из руды. Золото и серебро относятся к наименее активным элементам и встречаются в природе в самородном (свободном) состоянии. Медь, олово и свинец легко выплавляются при относительно низких темп-pax, тогда как для железа требуются значит, более высокие темп-ры. Широко используемый металл — железо и его сплавы (сталь). В древности на Востоке железо считали редким драгоценным металлом. Римлянам железо было хорошо известно: они применяли его для изготовления оружия и крепежных деталей, в т.ч. гвоздей. Железо было более прочным и твердым, чем бронза, хотя и более легко окисляющимся на воздухе (коррозия). В Средние века сплавы железа стали осн. материалом оружейников и кузнецов (кузнечное дело), к-рые усовершенствовали изготовление оружия и доспехов, с.-х. орудий и кухонной утвари, а также заклепок, гвоздей, колесных ободов, подков и дверных петель. В 18 в. впервые из руды был получен в виде чистого металла цинк, что привело к разработке и применению большого числа разнообразных латуней. Совершенствование пром. технологий в 19 в. позволило повысить произ-во чугуна и стали хорошего кач-ва. Этому способствовала •промышленная революция, давшая толчок к созданию материалов, необходимых для изготовления станков, и развитию черной металлургии. В нач. 19 в. с применением электролиза расширилось кол-во М., используемых в пром-ти. В 20 в. благодаря электролизу и усовершенствованию методов добычи стало возможно относительно недорогое произ-во алюминия. Этот металл и его сплавы отличаются плотностью, прочностью и электропроводностью и по значению занимают второе место после стали. Выбор способов обработки М. зависит от его св-в. Мн. металлы легко плавятся и отливаются в форму, для окисляющихся необходимы спец. условия. Порошковая металлургия позволяет производить изделия сложной конфигурации, не прибегая к плавке. Практически все М. обрабатываются волочением, подвергаются прокатке, ковке и экструзии. М. подвержены усталости и ползучести (медленное увеличение длины под нагрузкой, к-рое приводит к деформации и, в конце концов, к разрушению). Эти св-ва учитываются инженерами при проектировании, напр, самолетов, газовых турбин и устр-в для создания давления при высокотемпературных хим. процессах. Требуемая форма и чистовая обработка поверхности метал, изделий (за счет удаления излишков металла) осуществляется с помощью токарных, фрезерных, строгальных и шлифовальных станков (кермет, композитный материал, металлическое стекло).

Плазменная дуговая горелка создает высокоскоростную струю чрезвычайно горячего ионизированного газа (плазмы) с температурой до 28 000°С. Она прорезает металл, расплавляя и отбрасывая его. Горелки большой мощности могут прорезать слой нержавеющей стали толщиной до 15 см.