Окружающий нас мир — люди, животные и растения, планеты и звезды — состоит из химических элементов, которые нельзя разложить химическими методами. В 1980 г. было известно 105 элементов, из которых 81 элемент стабилен, а прочие либо очень быстро распадаются, либо их можно было получить только искусственным путем. Из 81 стабильного элемента 65 — металлы. В чистом виде металлы встречаются в природе очень редко (один из примеров этого — самородное золото). Чаще всего их добывают в виде руды с различными примесями, из которой выделяют металл посредством восстановления, плавки или электролиза. При изготовлении сплавов к расплавленному чистому металлу примешивают одну или несколько добавок в виде других металлов или полуметаллов. При охлаждении и застывании (затвердении) образуется сплав, который может иметь другие свойства, чем исходный материал, например повышенную твердость. Стандартные сорта стали и алюминия, а также бронза и латунь — сплавы. Одним из способов получения металлических сплавов особой твердости является агломерация: порошкообразный карбид металла нагревают до точки плавления, а затем спекают под высоким давлением. В качестве упроч-нителей здесь служат керамические добавки. Каждый металл имеет особую кристаллическую структуру, которая может изменяться под действием давления и температуры, что приводит к соответствующим изменениям свойств металла. Для домашнего мастера прежде всего представляют интерес физические и технологические свойства металлов. Прочность и предел прочности Под этим понимают сопротивление, которое оказывает материал соответственно деформации и разрыву при воздействии внешних сил. Высокая прочность многих металлов делает их пригодными для самых разных конструкций. Так, винты (болты) в машинах подвергаются растяжению (затягиванию), швы — усилиям разрыва, крюки и валы — испытанию на изгиб, шарики в шарикоподшипниках и опоры — деформации сжатия. В зависимости от вида прилагаемой силы можно говорить о прочности на растяжение или сдвиг, а также на изгиб, сжатие и кручение. Твердость Твердость тесно связана с прочностью. Под твердостью металла понимают его сопротивляемость проникновению в него другого предмета из более твердого вещества. На примере стали можно проследить, как изменяется твердость одного и того же металла и как у одного и того же металла твердость проявляется вместе с хрупкостью, а иной раз и с пластической деформацией или упругостью. Отжиг и неполный отжиг, закаливание и отпуск — вот основные процессы, которые воздействуют на твердость металла. Инструмент, с помощью которого можно разрезать или распилить металл, должен быть тверже его. По этой причине заготовку из закаленной стали сначала следует размягчить путем нагревания до светлокрасногр цвета и по возможности медленно охлаждать, чтобы можно было обработать ее инструментом, который также изготовлен из закаленной стали. Если впоследствии готовой детали необходимо вернуть исходную твердость, то ее обрабатывают закаливанием, т. е. сталь вновь нагревают до светлокрасного цвета, а затем охлаждают в холодной воде или масле. При этом для предотвращения внутренних напряжений изделие погружают в холодную воду и как бы прополаскивают. Теперь сталь снова стала твердой, но в то же время приобрела и нежелательное качество — хрупкость, как у стекла. Хрупкость стали можно снять с помощью отпуска, т. е. длительного нагревания, при котором кристаллы расширяются и сталь восстанавливает свою ударную прочность. При нагревании стали проявляется так называемый цвет побежалости, который соответствует определенным температурам: холодная сталь — блестящая, светложелтая — 220°С, желто-коричневая — 245°С, красно-коричневая — 265°С, красно-синяя — 285°С, серо-голубая — 310°С. Как только желаемая температура достигнута, что можно определить по соответствующему цвету, сталь быстро охлаждают. Упругость Под упругостью понимают способность материала принимать исходную форму после прекращения силового воздействия. Твердые металлы, как правило, являются упругими, мягкие — пластичными. Пластическая деформация Жесткость, ковкость, упругость и пластичность — это свойства каждого металла, допускающего изменение формы при изгибе, растяжении, сжатии, прессовании, прокатывании и ковке без разрушения. Противоположным свойством является хрупкость, когда металл разрушается при небольших деформациях. В результате первоначальной холодной обработки хорошо поддающиеся ковке металлы часто становятся более твердыми и соответственно оказывают большее сопротивление дальнейшей обработке. При отжиге, т. е. нагревании заготовки и медленном ее охлаждении, снимаются внутренние напряжения, что способствует потере хрупкости, и заготовка вновь становится ковкой. Устойчивость к коррозии Коррозия (от латинского слова corrodere — изгрызать, истачивать) — это разрушение металла, которое происходит на наружной поверхности вследствие химических реакций. Наиболее известное явление коррозии — ржавление железа. Цветные металлы устойчивы к коррозии на воздухе, некоторые из них невосприимчивы к кислотам и щелочам. Такая коррозиеустойчивость чаще всего возникает потому, что на поверхности цветных металлов образуется тонкая оксидная пленка, которая служит защитным слоем от внешних воздействий.
Железо и сталь Полагаю, что немногим приходилось держать в руках чистое железо. То, что обычно принимают за железо, на самом деле сталь, так как химически чистое железо в технике не используется. Из железной руды в доменных печах выплавляют чугун, богатый углеродом сплав железа, содержащий кремний или марганец.
Линейный чугун Чугун, содержащий кремний, имеет серый цвет. Он служит сырьем для изготовления серого чугуна и литейного чугуна. В сером чугуне углерод не входит в кристаллическую структуру железа, а остается инородным телом. Вследствие этого серый чугун при соответствующей нагрузке разрушается или ломается в том месте, где выделяется много углерода. Серый чугун твердый, но хрупкий. Стандартный серый чугун нековкий и не поддается закаливанию. Однако его можно заливать в самые сложные формы и обрабатывать резанием. Наряду со стандартным серым чугуном существует несколько специальных сортов, среди которых следует отметить ковкий чугун, который обладает некоторой ковкостью. Для домашних работ он практически не применяется, а серый чугун используется, как правило, только для ремонтных работ.
Сталь Чугун, выплавленный в доменной печи и содержащий марганец, имеет белый цвет и служит исходным материалом для получения стали, которая отличается от чугуна малым содержанием углерода. Выплавка стали — это не что иное, как выжигание содержащегося в чугуне углерода. Если долю углерода понизить до 2,06%, то чугун становится ковким. Но это зависит не столько от низкого содержания углерода, сколько от того, что в процессе выплавки стали образуется карбид железа, что придает стали упругость. Это свойство сталь сохраняет только при наличии 1,7% углерода, и вновь его теряет, если содержание углерода понижается до 0,5%. Чем выше доля карбида железа в стали, тем тверже сталь, так как карбид железа в 270 раз тверже химически чистого железа. При быстром охлаждении расплава углерод не успевает выделиться и образуется хрупкая сталь. Для снижения хрупкости ее подвергают отпуску, т. е. нагревают до невысокой температуры и медленно охлаждают. В этом случае в сплаве выделяется карбид железа, который сильно снижает хрупкость стали. Поддающуюся закалке сталь с содержанием углерода 0,5— 1,7% называют инструментальной сталью. К ней относят сталь HSS (высокопрочная быстрорежущая сталь), сталь HSSE (т. е. сталь HSS, выдерживающая высокие температуры, что повышает стойкость изготовленного из нее режущего инструмента) и сталь SHSS. Сталь с содержанием углерода от 1,7 до 2,06% называют конструкционной сталью. Эта сталь ковкая и достаточно прочная, что наиболее приемлемо для домашней мастерской. Сортамент конструкционных сталей приведен ниже. При варке стали в нее вводят в определенных количествах легирующие добавки: хром, никель, кобальт, вольфрам, ванадий, молибден, марганец, а также кремний. В зависимости от состава образующихся сплавов улучшаются такие свойства, как прочность, твердость, закаливаемость, огнеупорность (тугоплавкость) и коррозиеустойчивость.
Цветные металлы К таким металлам относят легкие металлы с плотностью не менее 3,5 г/см3, например алюминий и цинк, тяжелые металлы — свинец и медь, благородные металлы — золото и серебро, сплавы — бронзу и латунь. Многие цветные металлы отличаются очень высокой коррозийной устойчивостью.
Алюминий Этот легкий металл серебристого цвета, имеющий точку плавления 658°С, используется в промышленности в виде сплавов. Наряду со сталью, алюминий находит самое многостороннее использование, особенно в домашней мастерской. Его применяют повсюду, где необходим металл для решения практических задач. Алюминий при низкой плотности (втрое меньшей, чем у стали) имеет высокую прочность, его легко обрабатывать, пилить, сверлить, нарезать на нем резьбу, сгибать, паять и сваривать; он легко обрабатывается (при литье следует принять во внимание усадку до 7%). Алюминий образует сплавы с медью, магнием, никелем и кремнием, обладающие различными свойствами. Эти сплавы прочны, погоде- и коррозиеустойчивы и даже невосприимчивы к морской воде. При ковке молотом твердый алюминий следует сначала нагреть. Так как по цвету алюминия трудно определить его температуру, ее устанавливают с помощью деревянной щепки. Если при наложении раскаленного алюминия на щепку она начнет дымить, то требуемая температура нагрева достигнута. Сплавляют алюминий с медью, магнием и кремнием при температуре 500°С, после чего сплав медленно охлаждают в воде. Если материал после нескольких часов охлаждения остается мягким и ковким, то его подвергают термообработке (закалка и отпуск) в течение 12 ч, пока конструкционный сплав не обретет твердость и прочность. Торговые (промышленные) обозначения алюминиевых сплавов: дюралюминий — для строительных элементов, работающих при повышенных нагрузках; гидроалюминий — для строительных деталей, работающих при средних нагрузках, незакаленный, хорошо полирующийся, коррозиеустойчивый (цвет желто-зеленый); антикородал — для средних нагрузок, закаленный, легко формирующийся и коррозиеустойчивый (цвет белый) — особенно пригоден для домашней мастерской. Применяется также анодированный алюминий, на поверхности которого имеется искусственная пленка оксида (электрически анодированный алюминий), которая служит защитой от коррозии. В соединениях с тяжелыми металлами, такими, как сталь или медь, алюминий следует электрически изолировать от этих металлов, для того чтобы избежать электромеханической коррозии. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Свинец Серый с голубым проблеском, этот металл имеет температуру плавления 327°С. Свинец очень тяжелый и очень мягкий металл, легируется сурьмой (15%), втрое увеличивая твердость. Он поддается ковке молотком, не твердея при этом, очень хорошо поддается литью, устойчив к кислотам (например, к серной, соляной и плавиковой), но поддается воздействию свежего гипсоцементного раствора, углекислоты, азотной кислоты, уксуса и мягкой воды. Свинец и его соединения очень ядовиты, поэтому следует остерегаться посуды со свинцовой глазурью и окраской. В прошлом свинец благодаря своей коррозиеустойчивости при воздействии воздуха и влаги преимущественно использовался для водопроводов. При их использовании для жесткой воды в трубах образовывался слой карбоната свинца, который не растворялся в жесткой воде. Но карбонатосвинцовый слой можно было растворить, используя другие водные растворы. В домашнем быту иногда приходится кое-что мастерить из свинца. Свинец поддается сварке, при этом следует учитывать его низкую температуру плавления. Кроме того, имея в виду высокую плотность свинца и легкость сварки, его можно использовать, например, для изготовления уличных фонарей.
Бронза Этот сплав меди и олова с минимальным содержанием меди 78% превосходит по твердости и медь, и олово. Еще большей твердостью и коррозиеустойчивостью отличается алюминиевая бронза, т. е. сплав меди и алюминия. Бронза очень подходит для литья, особенно для отливки колоколов.
Золото Точка плавления золота составляет 1360°С. В химически чистом виде (чистое золото) — это слишком мягкий материал для практического применения, поэтому его легируют медью и серебром. Содержание чистого золота в золотом сплаве выражается в каратах. Это обозначение пришло из истории торговли золотом: семена растения кератона (Ceratonia siligna) использовались арабскими купцами в качестве единицы массы в торговле золотом: от слова Сега1оп1а произошло название «карат». Золото 24-каратной пробы — это химически чистое золото. Золото 18-каратной пробы содержит 750/1000 частей чистого золота, 14-каратной пробы — 585/1000 частей золота и 8-каратной пробы — 330/1000 частей золота. Последнее уже не принимается в торговле в качестве золота. Золото допускает большие деформации. Из 1 г золота можно вытянуть золотую проволоку длиной 2 км. Для механической позолоты золото выковывают в тончайшие листочки толщиной 0,0002 мм (сусальное золото). Золото используется также для гальванического золочения других металлов.
Медь В чистом виде этот металл имеет светлокрасную окраску, его температура плавления 1083°С. Название элемента (Cuprum) произошло от острова Кипр, где в древности добывали медь. Медь обладает почти такими же свойствами, как и алюминий, но ее плотность значительно выше. Это мягкий металл, он хорошо формуется как в холодном,так и а нагретом виде, кроме того, медь легко сгибается, плющится и куется молотом. При ковке молотом медь упрочняется до такой степени, что дальнейшая ее обработка становится невозможной. При отжиге медь смягчается. Если медь нагреть до цвета спелой вишни и затем охладить или медленно погрузить в холодную воду, то в отличие от стали медь не приобретет закалки. Образовавшаяся во время отжига окалина отпадает при охлаждении. Медь можно паять как в мягком, так и твердом виде. Она обладает высокой тепло- и электропроводностью и в прошлом была очень устойчива к воздействию природной среды благодаря матовой зеленой патине, которая образуется под воздействием кислотных дождей и защищает от дальнейшей коррозии. Эта патина не появляется в воздухе, содержащем копоть и серную кислоту, что сейчас становится типичным для промышленных зон. В отличие от безвредной для человека патины, очень ядовитой является медная зелень слабо-зеленого цвета, образующаяся при воздействии органических кислот, поэтому медные емкости, которые входят в контакт с пищевыми продуктами, должны быть вылужены изнутри. Медь находит применение при покрытии кровли, для тепло- и водопроводов, а также используется для изготовления кухонной посуды, сковородок и т. п.
Латунь Это сплав меди и цинка, в котором доля меди колеблется от 60 до 90%. Чем выше доля меди, тем лучше способность к холодной деформируемости. Латунь с низким содержанием меди светложелтого цвета и изменяет свою окраску с возрастанием доли меди от золотисто-желтого, желто-зеленого, золотисто-красного до типичного красного цвета меди. Латунь твердая, устойчивая к погоде, хорошо режется и в раскаленном состоянии (200— 300°С) хорошо гнется и плющится. Латунь с большим содержанием цинка применяется для литья. Латунь находит применение для слесарных, СКОБОЧНЫХ, клепальных и художественных работ.
Серебро Точка плавления этого блестящего, белого, мягкого и ковкого металла составляет 961 °С. Легированное медью серебро приобретает значительную твердость. Содержание чистого серебра в сплавах с медью составляет 935/1000, 835/1000, 800/1000. Серебро применяют для изготовления или серебрения столовых приборов, украшений и других художественных предметов.
Цинк Этот бело-голубой металл плавится при температуре 419°С. Цинком покрывают стальные листы, используемые для кровельных покрытий, водосточных труб, обшивки, так как твердая серая патина на поверхности служит хорошей защитой от коррозии, возникающей вследствие погодных воздействий. Цинк легко паяется. Цинковые листы можно сгибать лишь перпендикулярно направлению прокатки, так как при обычной температуре они довольно хрупкие и легко ломаются при сгибании в других направлениях. При температуре от 150 до 200 °С цинк становится ковким, а при температуре более 200°С вновь приобретает хрупкость. Цинк устойчив к щелочам, что позволяет использовать его при изготовлении ведер, баков и т. п. Однако он легко разрушается под воздействием кислот и потому не должен входить в контакт с продуктами питания, так как цинковые соединения ядовиты. Цинковые покрытия таких металлов, как, например, сталь или медь, образуют с этими металлами гальваническую пару, вследствие чего они являются надежной защитой этих металлов и разрушаются в первую очередь даже при частичном повреждении покрытия.
Олово Это серебристый светлый металл, имеет низкую температуру плавления (232 С), мягкий, ковкий, при изгибе издает так называемый «оловянный треск». При температуре ниже 18°С превращается в пыль («оловянная чума»). Олово устойчиво к органическим кислотам и поэтому очень удобно для сохранения пищевых продуктов. Для этой цели используют белую жесть, т. е. покрытые оловом с обеих сторон стальные листы.
Главная 
Большинство рисунков и чертежей, на сайте, при клике на них мышкой - откроются в новом окне, в полный размер!
