Значение металлургии

Металлургия - одна из важнейших наук в современном машиностроении. В частности, это наука об извлечении металлов из руд, в которых они находятся, а затем модифицировании металла, чтобы он стал более полезным. По сути, науку о металлургии можно рассматривать как смесь физики, химии и отчасти техники.

Чтобы лучше понять эту область науки и то, как она возникла, давайте обратимся к истории металлургии.

История металлургии

Современное использование металлов покорилось человеку не сразу и непросто. На самом деле, наши сегодняшние технологии по добыче и обработке металлов является результатом почти 7000 лет развития.

Первыми открытыми металлами были золото, серебро и медь, которые можно найти в своем естественном виде. Это означает, что древние культуры могли бы добывать эти металлы, при этом их обработка не требовала особо замысловатого способа.


Золото, в частности, можно соединить с другими частями при помощи обыкновенной ковки (без теплового воздействия). Это сделало золото достаточно неприхотливым металлом для работы.

В течение железного века цивилизации совершали открытия, и выяснили, что металлы могут быть расплавлены и отлиты в формы.

Значение металлургии стало приобретать все новые обороты - со временем оно выходит за рамки обыкновенной ковки и переходит в литье и кузнечную ковку. Именно после открытия того, что металлы можно нагревать, некоторые металлы теперь стало легче извлекать из минералов.

Открытие неметаллического состояния металла медленно привело бы к открытию процесса плавки, включающего нагрев меди до температуры выше 700°C. Именно тогда древние цивилизации впервые начали использовать новые минералы и элементы в металлургическом процессе, чтобы очистить металл и изменить сам процесс обработки металла.

Подводя итог, лучше всего рассматривать историю металлургии как эволюционирующий процесс:

  • Во-первых, были открыты металлы, обладающие высокими металлическими свойствами, которые можно было обрабатывать без нагрева.
  • Во-вторых, было обнаружено, что металлы могут быть отлиты в процессе плавления и затвердевания.

Затем цивилизации поняли, что металлы могут быть извлечены из минералов – и последним шагом стало открытие металлических добавок или сплавов. Это заставляет нас обратиться к истории одного из первых сплавов - бронзы.

Бронза

Бронза, по-видимому, впервые была обнаружена в виде медного сплава около 3000-2500 гг. до н. э. Этот металл представляет собой медный сплав с примерно 12% олова. Бронза была одним из первых сплавов когда-либо открытых цивилизациями, которые в то время уже активно экспериментировали со смешиванием различных элементов в металлургических процессах.

Открытие олова имело первостепенное значение для металлургии, поскольку именно оно привело к популярности бронзы как обрабатываемого металла. Считается, что поначалу этот металл производился в небольших населенных пунктах, но со временем получения новых знаний о нем, его производство распространилось благодаря торговле по всему Ближнему Востоку и Европе.

По мере того как росло доминирование бронзы в течение Бронзового века, в конечном счете было открыто железо, что привело к новому веку - Железному веку.

Железный век
На самом деле между Бронзовым и Железным веком нет конкретного поворотного пункта, скорее это был постепенный переход. Один из самых ранних кусков железа, когда-либо обнаруженных, был найден в Нидерландах и датируется 1350 годом до н. э. Традиционно этот период времени считался серединой Бронзового века, поэтому, по-видимому, оба металла были производили практически одновременно в течение некоторого времени.

Железо действительно достигло господства примерно к 1000 году до нашей эры, поскольку тогда оно превратилось в крупномасштабное оружие. Этот переход, вероятно, начался около 1200 года до нашей эры — обычно это время считается началом Железного века.

Ранние цивилизации разработали процесс плавления оксида железа с древесным углем. Однако в то время металлурги не могли достичь высоких температур 1540 °C, которые были необходимы для полного расплавления элементов. В результате этого процесса образовывалась губчатая масса металла, смешанная с жидким шлаком. Технологи повторяли процесс плавки с низкой температурой снова и снова, пока на выходе не получалось кованое железо - более пригодный для работы продукт. Интересно отметить, что (поскольку археологи досконально изучили Железный век) именно тогда начался процесс добавления углерода для укрепления железа.

Поскольку ранние методы металлургии подразумевали собой работу с низкими температурами, результатом сплавки железа с углем было железо в своем чистом виде. По мере того как печи того времени улучшались и температура повышалась, железо поглощало больше углерода. Железо тогда выходило по-разному, а содержание углерода внутри сильно варьировалось.

Металлургия металлов

Теперь, когда мы рассмотрели значение металлургии в контексте истории, давайте рассмотрим некоторые методы соединения материалов, используемые с современными металлами, особенно в области сварки.

  • Сварка
    Сварка - это достаточно широкий термин, охватывающий сотни, если не тысячи конкретных процессов соединения материалов. Даже если вы не являетесь сварщиком по профессии или инженером по соединению материалов, понимание того, как могут быть соединены различные материалы, имеет решающее значение для достижения успеха в вашей инженерной профессии.

Каждый процесс специально разработан для различных металлов, и есть даже процессы, которые могут сваривать разнородные металлы. Сложно охватить все особенности сварки в одной статье, но, вероятно, в ней можно охватить достаточно, чтобы вы могли поддержать разговор о сварке, если вас когда-нибудь об этом спросят…

Все сварочные процессы используют плавление посредством некоторого источника энергии; другими словами, основной металл плавится тем или иным образом. Например, в основном в процессах сварки, используют электрод, который плавится и вызывает плавление основного металла, и действует в качестве присадочного металла для соединения.

  • Электросварка
    Электросварка является наиболее распространенной, но важно отметить, что существует также газовая сварка и энергетическая лучевая сварка. В этих процессах для нагрева материала используются газовые или энергетические лучи, а не ток и напряжение. Газовые и энергетические методы, будучи вариативными, довольно просты для понимания в базовой механике.

В каждом из методов используют разные электроды и разные установки подачи сварочного флюса к сварному шву. Флюс - это очищающий агент, который помогает сварным швам скреплять материалы и поддерживать однородную структуру, тем самым увеличивая прочность.


Основные виды сварки:

  • ручная дуговая сварка (SMAW)
  • дуговая сварка вольфрама (GTAW/TIG)
  • газовая дуговая сварка металлическим электродом (GMAW/MIG)
  • порошковая дуговая сварка (FCAW)
  • сварка с погруженной дугой (SAW)
  • электрошлаковая сварка (ESW)
  • сварка сопротивлением.

Вместо того чтобы писать тонны текста, посвященного значению металлургии и сварке различных металлов, вот краткое руководство, демонстрирующее соединение металла вместе посредством различных процессов, описанных выше:

  • Сталь: SMAW, MIG, FCAW, TIG (DC)
  • Нержавеющая сталь: SMAW, MIG, FCAW, TIG (DC)
  • Алюминий: SMAW, MIG, TIG (AC)
  • Чугун: SMAW
  • Медь / латунь: TIG (DC)
  • Сплав магния: TIG (AC)
  • Титан: TIG (DC)

Как вы, вероятно, заметили, металлы на основе железа могут быть сварены различными методами, но другие металлы с менее совместимыми структурами требуют особых методов сварки. Причина, лежащая в основе широкого спектра методов обработки стали и других металлов, связана со структурой ячеек, фазовыми изменениями, температурой плавления металлов и многими другими факторами.

Если вы хотите соединить два разнородных металла, скажем, алюминий со сталью, сварщикам придется проявить творческий подход в своей технике. Наиболее распространенным способом сварки разнородных металлов или металлов, несовместимых друг с другом, является использование присадочного металла, совместимого с обоими. В случае алюминия и стали, цинк можно использовать как переходный металл.

Если вы хотите узнать о сварке разнородных металлов, то эти процессы находятся на переднем крае техники соединения материалов. Новаторские исследования постоянно ведутся в области сварки трением, лазерной сварки и даже сварки взрывом (погуглите, вы не пожалеете).

Сварка - невероятно простая вещь для понимания, но также и процесс, наполненный бесконечными сложностями. Независимо от того, применяете ли вы его ежедневно или нет, процесс сварки связан почти что с каждой дисциплиной в сфере инженерии, и несомненно, значим для металлургии.

Прочитайте также информативную статью о российской металлургии (см. ссылку ниже):

https://ludirosta.ru/post/rossiyskaya-metallurgiya_1848

металл промышленность история

andresyakovlev

18 фев 2020 в 14:49

Похожие материалы
Комментарии (0)

Пока нет комментариев