Трудове навчання (технічні види праці). 8 клас. Терещук

Дорогі друзі!

У восьмому класі на уроках трудового навчання ви ознайомитесь із металом як конструкційним матеріалом і почнете опановувати технології його обробки. Ви розширите свої знання про властивості металів, отримані на уроках фізики і хімії. Дізнаєтесь, як правильно і яким інструментом їх обробляти.

Ви продовжите освоєння графічної грамоти, будете вчитися читати кресленик і виконувати технічний рисунок (якщо є можливість і бажання - навіть засобами комп’ютерної графіки), щоб краще уявити майбутній виріб.

Цей підручник допоможе вам не просто відпрацювати прийоми розмічання заготовок, операції різання, рубання, обпилювання металу, нарізання різьби тощо, а й продемонструє через покрокові фотоілюстрації процес виготовлення потрібних і красивих речей.

А параграфи, присвячені основам комбінаторики, засобам художнього конструювання, історії та принципам дизайну, без сумніву, надихнуть вас на власні оригінальні ідеї.

Перш ніж приступити до навчання, запам’ятайте схематичні позначки з «Путівника учня». З їх допомогою ви зможете ефективно засвоїти матеріал.

Працювати з металом складно. Щоб досягти успіху, ви маєте бути дисциплінованими і обережними, вам знадобиться наполегливість, уважність, а ще - здатність творчо і сміливо мислити. Досить часто перші успіхи у шкільній майстерні - це перші кроки до омріяної професії. І тут не варто недооцінювати «ручної праці» - навіть якщо у майбутньому ви збираєтесь віддати перевагу розумовій праці. До речі, дизайнер iMac, iPhone та iPad Джоні Айв стверджує, що своїм успіхом завдячує передусім батькові - вчителю трудового навчання, який прищепив йому інтерес до створеного людиною середовища, бажання виготовляти красиві й корисні речі та вивчати технології.

Тож бажаємо успіхів!

Коли первісна людина, просуваючись крок за кроком уперед, відкрила самородні метали, почала плавити їх у тиглі й відливати у форми; коли вона сплавила самородну мідь з оловом і створила бронзу й, урешті, коли ще більшим напруженням думки вона винайшла горн і видобула з руди залізо - дев'ять десятих боротьби за цивілізацію було виграно.

Л. Г. Морган, антрополог

Розділ 1. Основи матеріалознавства

Пригадайте

• Що називають конструкційним матеріалом?
• Які властивості повинні мати конструкційні матеріали?
• Які конструкційні матеріали ви знаєте?

§ 1. Метали і сплави

Що таке метали і сплави

Не буде жодним перебільшенням стверджувати, що метали становлять основу сучасної матеріальної цивілізації і способу життя. Різноманітні металеві вироби присутні в усіх сферах життя людини. їх широко використовують у будівництві. Спорудження висотних будівель, які є однією з найпомітніших ознак сучасного міста, стало можливим завдяки появі у XIX столітті конструкційної сталі і залізобетону. Метал використовується у транспорті й інфраструктурі (двигуни, корпуси транспортних засобів, залізничні рейки, труби тощо), для генерування й передавання електроенергії та електричних сигналів. Чи не найважливіше, однак, те, що металеві частини й деталі є основою створення машин, механізмів і приладів, за допомогою яких виготовляються як товари і продукти кінцевого споживання, так і інші машини. Вагомість освоєння металів людиною відображено, зокрема, у поділі розвитку людства на доісторичну (кам’яна доба) й історичну епохи - від освоєння металів до сьогодення.

Обговоріть

Розгляньте фото зліва. Яку роль, на вашу думку, відіграють метали в розвитку цивілізації?

Рівень розвитку металургійної промисловості, особливо металообробки і машинобудування, вже кілька сотень років є одним з основних показників процвітання і могутності держав.

Поширення металів у людській діяльності зумовлена поєднанням хімічних, фізичних, механічних і технологічних властивостей цих речовин. Чимало властивостей металів, використовуваних у техніці, пояснюється їх атомною структурою: у твердому стані вони мають кристалічну будову, тобто атоми металів розташовані у певному порядку, утворюючи геометрично правильну кристалічну ґратку. До найважливіших для техніки властивостей металів належать твердість, міцність, пластичність, пружність, електропровідність, теплопровідність, стійкість до впливу зовнішнього середовища.

Треба знати властивості металів, щоб правильно визначити матеріал, який найкраще підходить до того чи того виробу.

Фізичні властивості

• густина
• температура плавлення
• теплопровідність
• теплове розширення
• питома теплоємність
• електропровідність
• відбивна здатність

Механічні властивості

• міцність
• твердість
• пластичність
• в’язкість
• пружність

Технологічні властивості

• ковкість
• рідкотекучість
• зварюваність
• оброблюваність різанням
• корозійна стійкість
• зносостійкість

Сплав - тверда або рідка однорідна речовина, утворена сплавленням кількох металів або металів з неметалами. Сплави, як і метали, у твердому стані зазвичай мають кристалічну будову.

У природі метали рідко зустрічаються в чистому вигляді. Також рідко в чистому вигляді їх використовують у технологічних процесах. Це зумовлено складністю очищення металів та тим, що багато сплавів мають кращі властивості, ніж чисті метали. Наприклад, сплави міді - латунь і бронза - міцніші за саму мідь, сплави алюмінію - за чистий алюміній, а сталь - за чисте залізо. Крім того, здатність металів утворювати сплави з широким спектром властивостей дає можливість добирати матеріали, що відповідають конкретним технологічним потребам та економічним умовам.

У давнину і в середні віки вважали, що існує тільки сім металів. Це число відповідало кількості відомих тоді планет: Сонце (золото), Юпітер (олово), Місяць (срібло), Марс (залізо), Меркурій (ртуть), Сатурн (свинець), Венера (мідь). Алхіміки вважали, що ці метали народжуються в надрах Землі під впливом променів планет.

Руда – корисна копалина, природне мінеральне утворення, з якого добувають метали та мінерали.

Пуста порода – частина руди, що не містить металу (мінералу).

Рис. 1.1. Метали у природному стані: а - залізо; б - мідь; в - срібло; г - золото; д - олово; е - свинець; є - ртуть

Найчастіше у вигляді сплавів застосовується і метал, який можна назвати головним металом людської цивілізації упродовж щонайменше останніх трьох тисяч років. Він має багато корисних властивостей і водночас є достатньо поширеним та відносно легко добувається. Це - залізо (ферум), що у техніці використовується у формах сплавів з вуглецем (карбоном). Залежно від вмісту вуглецю ці сплави називаються чавуном або сталлю.

Чавун - сплав заліза з вуглецем із вмістом вуглецю 2,14-6,67 %.

Сталь - сплав заліза з вуглецем із вмістом вуглецю до 2,14 %.

Масова частка заліза в земній корі становить 5,1 %. За цим показником залізо поступається лише кисневі, кремнію та алюмінію. Однак алюміній тяжче добувається і поступається сплавам заліза за деякими важливими механічними і технологічними властивостями.

Важливість заліза та його сплавів з вуглецем у людській діяльності знайшла своє відображення у традиційному поділі на чорні і кольорові метали. До чорних металів належать сплави заліза з вуглецем та деякими іншими речовинами. Особливе місце у металургії посідає марганець, який часто відносять до чорних металів через його широке застосування у виплавленні сталі. Майже 90 % виробництва металів у світі припадає на сплави заліза.

До кольорових металів належить решта металів і сплавів (наприклад, алюміній, мідь, магній, олово, свинець, цинк, нікель тощо та їх сплави).

Ще наочніше протиставлення заліза й усіх інших металів проявляється у класифікаціях, прийнятих у деяких зарубіжних країнах: усі метали там поділяються на «залізні» і «незалізні» (наприклад, у США і Великій Британії - ferrous та non-ferrous metals).

Україна – один з лідерів серед країн – виробників чорних металів у світі. У складі металургійної промисловості України – підприємства з видобутку і збагачення руд чорних і кольорових металів, нерудних матеріа лів, з виробництва чавуну, ста лі, прокату, сталевих труб, метизів, вогнетривів, феросплавів, коксу, з виробництва твердосплавної, вуглецевої, напівпровідникової продукції. Вітчизняна металургія випускає різноманітну продукцію, забезпечує літако- і машинобудівну галузі високоякісним кон струкційним матеріалом.

Серед видатних досягнень українських конструкторів - найбільший у світі літак Ан-225 «Мрія». Літак розробили як машину для транспортування космічного корабля багаторазового використання «Буран».

Головним конструктором, який розпочинав роботу над літаком, був О. К. Антонов. Конструкторське бюро, яке Антонов очолював багато років, тепер носить його ім’я. А 1988 року в небо піднявся задуманий Антоновим супервантажний літак Ан-225 «Мрія», що встановив понад 110 світових рекордів в одному польоті! У 1999 році за видатні досягнення у створенні літаків ім’я О. К. Антонова занесене до Міжнародної аерокосмічної зали слави Аерокосмічного музею (м. Сан-Дієго, шт. Каліфорнія, США).

Олег Костянтинович Антонов (1906-1984)

Таблиця 1.1. Використання сплавів

Вид сплаву	Використання
Чавун і сталь	Матеріал для основної маси металевих заготовок і конструкцій для машинобудівної промисловості, будівельних матеріалів та ін.
Алюмінієві сплави	Виготовлення корпусів літаків, вертольотів, ракет, морських суден і різних будівельних конструкцій, харчової фольги
Нікелеві сплави, титанові сплави і кобальтові сплави	Авіаційні й ракетні двигуни, парові турбіни
Магнієві сплави	У вигляді лиття в конструкціях літальних апаратів, в автомобілебудуванні, в текстильній і поліграфічній промисловості

Які є види чавуну і сталі

Чавун. Чавун виплавляють у доменних печах із залізної руди з допомогою палива та флюсів (мінеральних речовин, що сприяють зниженню температури плавлення і відділенню заліза від пустої породи).

За складом і будовою чавуни поділяються на білий, або переробний; сірий, або ливарний, ковкий; спеціальний (феросплави).

Білий чавун дуже твердий і крихкий, погано піддається литтю, важко обробляється різальним інструментом. Він зазвичай іде на переплавку на сталь або на отримання ковкого чавуну і тому називається переробним.

Сірий чавун найбільш широко застосовується в машинобудуванні. Він відзначається низькою пластичністю і в’язкістю, проте легко обробляється різанням, застосовується для маловідповідальних деталей і деталей, що працюють на знос.

Сірий чавун з високим вмістом фосфору (0,3-1,2 %) використовують для художнього лиття.

Спеціальний чавун, або феросплав, має підвищений вміст кремнію і марганцю. Феросплави використовуються при виплавленні сталі для видалення кисню, який є шкідливою домішкою.

Сталь. Сталь отримується шляхом переплавки переробного чавуну або металобрухту. У разі переплавки чавуну зі сплаву видаляється надлишковий вуглець і знижується вміст домішок.

За хімічним складом сталі поділяються на вуглецеві і леговані.

Вуглецеві сталі - це сплави заліза з вуглецем та деякими звичайними домішками. Основним компонентом, від якого залежать властивості отриманої сталі, є вуглець, який підвищує твердість, міцність, пружність, водночас знижуючи пластичність і опірність ударним навантаженням.

Леговані сталі являють собою сплави, які, крім заліза й вуглецю, мають у своєму складі спеціально введені легуючі елементи, зокрема хром, нікель, вольфрам, молібден, марганець, ванадій тощо. Легуючі елементи значною мірою поліпшують властивості сталей (див. таблицю 1.2).

Рис. 1.2. Твердомір універсальний Т-УДЗ, торгова марка NOVOTEST (м. Новомосковськ, Дніпропетровська обл.) перший у світі твердомір із фотофіксацією вимірювань з можливістю прив’язки значень твердості до виробу із зазначенням конкретного місця на виробі

Твердість слід відрізняти від міцності. Твердість - це властивість матеріалу опиратися проникненню у нього іншого, твердішого тіла. Міцність - властивість матеріалу опиратися руйнуванню, зумовленому внутрішнім напруженням, що виникає під дією зовнішніх навантажень і чинників (розтягування, стискання, згинання, кручення, зміна температури тощо). Наприклад, звичайний чавун вирізняється високою твердістю (слабко піддається обробці), однак не є міцним (руйнується під дією навантажень чи ударів).

На твердість сталь випробовують за допомогою спеціальних приладів-твердомірів (рис. 1.2). Метод вимірювання ґрунтується на вдавлюванні у зразок твердішого матеріалу: кульки з твердої сталі, алмазного конуса або алмазної піраміди. Значення твердості визначають розподілом навантаження на площу поверхні відбитка, що залишається в металі (метод Брінеля), або за глибиною занурення в метал алмазного вістря, сталевої кульки (метод Роквела).

Таблиця 1.2. Вплив легуючих елементів на властивості сталей

Легуючий елемент	Вплив на властивості сталей
Марганець	підвищує твердість, теплопровідність і опірність до зношування
Хром	підвищує твердість, міцність, пластичність та опірність корозії
Нікель	підвищує міцність і опірність до ударних навантажень
Вольфрам	підвищує жаростійкість і твердість сталі
Молібден	підвищує твердість, межу текучості при розтягуванні, в’язкість, покращує зварюваність
Кремній	підвищує твердість, міцність, межі текучості і пружності, кислотостійкість
Титан	збільшує міцність і підвищує корозійну стійкість за високих (> 800 °С) температур

За призначенням сталі поділяються на конструкційні, інструментальні та спеціальні. Вміст вуглецю у конструкційній вуглецевій сталі становить до 0,6 %, а в інструментальній - від 0,7 % і більше. Інструментальна сталь вирізняється високими показниками твердості й міцності.

На якості сталі позначається наявність і кількість шкідливих домішок (сірка, фосфор, кисень, азот та ін.). Залежно від виду і обсягу шкідливих домішок виділяють сталі звичайної якості, якісні й високоякісні.

Конструкційна вуглецева сталь звичайної якості - пластична, але має невисоку міцність. Її використовують для виготовлення шайб, болтів, гайок, дроту, цвяхів. З якісних конструкційних сталей виготовляють деталі машин, механізмів, приладів тощо. Також їх широко застосовують у будівництві і на транспорті (рис. 1.3).

Інструментальні сталі твердіші й міцніші за конструкційні, вони призначені для виготовлення різноманітних інструментів, найчастіше різальних і контрольно-вимірювальних (рис. 1.4).

Спеціальні сталі застосовуються для виготовлення виробів, що мають особливі властивості. Це, зокрема, нержавіючі, жаростійкі, зносостійкі вироби (рис. 1.5).

Рис. 1.3. Вироби з конструкційних сталей

Рис. 1.4. Вироби з інструментальних сталей

Рис. 1.5. Вироби зі спеціальних сталей

Маркування. Хімічний склад сталі, її якість і наявність легуючих елементів відображаються у спеціальному маркуванні. Маркування конструкційних, інструментальних та інших сталей наводиться у державних стандартах, професійних інформаційно-довідкових матеріалах.

• Конструкційну вуглецеву сталь звичайної якості маркують буквами Ст (сталь) та цифрами 1, 2, 3 і т. д. до 6. Чим більша цифра, тим вища міцність і вміст вуглецю в сталі.
• Вуглецеву якісну конструкційну сталь маркують цифрами 05, 08, 10, 15, 20, 30 і т. д., що показують середній вміст у сталі вуглецю в сотих частках відсотка.
• Інструментальну вуглецеву сталь маркують літерою У і цифрою, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8 і т. д.
• Леговані сталі позначаються цифрами та літерами: Г (марганець), С (кремній), Н (нікель), X (хром), В (вольфрам), М (молібден), Т (титан), Ф (ванадій), Ю (алюміній), К (кобальт), Д (мідь). Літера А в кінці марки вказує на високу якість сталі. Цифри попереду букв показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, а цифри після букви - приблизний вміст легуючого елемента у відсотках, якщо він перевищує 1,5%.

1. На які групи та за якими ознаками поділяють метали і сплави?

2. Де використовуються конструкційні, інструментальні, спеціальні сталі? Наведіть приклади.

3. Як маркуються вуглецеві й леговані сталі?

4. Виберіть правильні відповіді.

• До чорних металів належить:

• а) мідь;
• б) залізо;
• в) алюміній.

• Що є чистим чорним металом?

• а) сталь;
• б) чавун;
• в) залізо;
• г) бронза.

• До кольорових металів належить:

• а) мідь;
• б) залізо;
• в) чавун.

• До технологічних властивостей металів і сплавів належить:

• а) твердість;
• б) ковкість;
• в) пружність;
• г) в’язкість.

• Твердість - це властивість:

• а) проводити тепло;
• б) витримувати високу температуру;
• в) опиратися проникненню в метал твердіших тіл.

• Як називається властивість металу відновлювати свою форму після припинення дії сили?

• а) пружність;
• б) міцність;
• в) пластичність;
• г) крихкість.

• У якому вигляді існують метали?

• а) в чистому;
• б) в чистому вигляді й у вигляді сплавів;
• в) у вигляді сплавів.

• Де перелічено сплави кольорових металів?

• а) бронза, мідь, олово;
• б) латунь, мідь, цинк;
• в) бронза, латунь, дюралюміній.