Metale i ich stopy cz. 1, Ćwiczenia z Sztuka

Pobierz Metale i ich stopy cz. 1 i więcej Ćwiczenia w PDF z Sztuka tylko na Docsity! Metale i ich stopy cz. 1 Dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania, Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego 10000 p.n.e. 5000 p.n.e. 0 1000 1500 1800 1900 1940 1950 1980 1990 2000 2010 2020 LL MAE l l l 1 l 1_ l 1 i Bręzy Metale Metale Żelazo [ Polimery |__N Drewno | EIAStomery Skóry Włókna naturalne Kleje Szkła metaliczne Stopy AL-Li Paa Stale D-P die jakości i procesów Stale mikrostopowe technologicznych Nowe nadstopy Żeliwo Stale Stale stopowe Stopy lekkie Polimery Elastomery Nadstopy ze słomą _ Papier Polimery wysoko- temperaturowe Stopy: Ti, Zr itp. Kamień 5 : Poliestry wysoko- Krzemień BAKGIE yroynaje Kompozyty Wyroby garncarskie _ © osnowie ceramicznej Szkło Poliestry 5 Szkło Epoks; osnowie Cement poksydy metalicznej PE PMMA Akryliki PC PS PP Względne znaczenie poszczególnych grup materiałów Ceramika Materiały ogniotrwałe p [ Ceramika Szkło SERC Ceramika inżynierska Szkło portlandzki SIO Szklana i MFA/86 topiona Cermetale ceramika (AŁO;, SIN, itp.) T T T T T T T T T T T T 10000p.n.e. 5000pn.e. 0 _ 1000 1500 1800 1900 1940 1950 1980 1990 2000 2010 2020 P p Lata I Stale dwoisto-fazowe (przyp. tłum.) RYSUNEK 1.1. _ Rozwój materiałów inżynierskich Przyspieszenie rozwoju wraz z opanowaniem pozyskiwania i obróbki metali PODSTAWOWY MATERIAŁ DO WYTWARZANIA NARZĘDZI PRACY epoka kamienia epoka brązu epoka żelaza... ...stali ...materiałów zaawansowanych FAZY ROZWOJOWE MOŻLIWOŚCI TWÓRCZYCH CZŁOWIEKA faza umiejętności naturalnych (do epoki brązu) faza sztuki rzemieślniczej (koniec XVIII w.) faza wynalazków inżynierskich (połowa XIX w.) (połowa XX w.) faza odkryć naukowych Babilon został zbudowany z wypalanej cegły i zaprawy bitumowej. Cegła okładzinowa była pokrywana emalią. Na posadzki używano różowego marmuru i wapienia 5 000 p.n.e. Na Bałkanach wytwarzano złote, srebrne i miedziane ozdoby z samorodków. 5 000 p.n.e. Catal Huyuk w Anatolii - centrum neolitycznego społeczeństwa. Lokalne złoża obsydianu były sprzedawane na całym Środkowym Wschodzie. Rozwój hutnictwa miedzi. 6 000 p.n.e. Bitum był używany przez budowniczych w Mezopotamii jako zaprawa murarska oraz jako impregnat do łodzi, dachów itp. 7 000 p.n.e. Tabliczki gliniane używano w Mezopotamii do zapisywania transakcji handlowych 8 000 p.n.e. Era neolityczna W południowej Japonii wyprodukowano najstarsze znane wyroby garncarskie 10 000 p.n.e. Bitum był używany na środkowym wschodzie do łączenia kamiennych narzędzi z drewnianymi trzonkami ≈ 38 000 p.n.e. Era przedneolityczna Materiały w starożytności Produkcja naczyń szklanych w Egipcie i Mezopotamii1 500 p.n.e. Powstanie w Anglii Stonhege2 000 p.n.e. Budowa Piramidy Schodkowej i Wielkiej Piramidy. Pierwsze konstrukcje z wielkich bloków kamiennych. Masywnych bloków wapiennych i granitowych użyto do „oblicowania” konstrukcji 2 650 p.n.e. Pierwszy raz na środkowym wschodzie użyto szkła jako polewy na wyrobach glinianych 3 000 p.n.e. Sumer - pierwszy znany przypadek użycia brązu3 500 p.n.e. Epoka brązu Użycie żelaza meteorytowego do produkcji małych narzędzi i ozdób.4 000 p.n.e. Wynalazek koła garncarskiego w Mezopotamii4 000 p.n.e. Miedź była wytapiana we wschodniej Europie i Egipcie. Ruda miedzi była wydobywana we wschodniej Europie 4 500 - 4 000 p.n.e. Epoka miedzi Chalkolit lub epoka miedzi; to okres przejściowy między epokami kamienia i brązu, w trakcie którego wśród ludów neolitycznych weszły do użycia pierwsze wyroby z metalu, przede wszystkim z miedzi (narzędzia, broń, ozdoby), chociaż nadal w powszechnym użyciu były narzędzia wyrabiane z kamienia i krzemienia. W Egipcie chalkolit trwał w latach między 5500-3100 p.n.e. W Europie (Kultura Vinča) odkryto przemyślny warsztat hutnictwa miedzi z kominem i rurami napowietrzającymi datowany na ten sam początkowy okres. PIERWSZE METALE W HISTORII CZŁOWIEKA ~ 6.000 lat p.n.e. złoto miedź? stan rodzimy ~ 4.000 lat p.n.e. ? Redukcja rudy miedzi (prawdopodobnie jako produkt uboczny wypalania ceramiki) KUCIE przeróbka plastyczna ODLEWANIE REDUKCJA RUD METALI za pomocą węgla drzewnego 3.000 lat p.n.e. Egipt złoto srebro miedź cyna ołów antymon rtęć użycie miedzi rodzimej METALŚ HISTORICAL TIMELINIE żelazo i stal wysokiej jakości obrólbica metali - lejisze narzę dnia dodanie cyny da tnie dzi - brąz ISAN FC: - INN A. Tr „wytapianie żelaza - większa dostępność metali 9,000 B.C_- PRESENT 1600 - 1750 A DB. Alchemicy tomwijają metalurgię (przemiańy w złoto NIEJ przemysłowa produkcja taniej stali jakościowej stopy specjalne - wydajne turbiny, silniki " części zatienne" do człowieka. stopy Co, Ti, Fe 1850 - 1900 tania produkcja dużych ilości Al(proces Halla) wysoko wytrzymałe stopy Al- samoloty 1970 - 1996 superstopy Złoty skarb scytyjski z Witaszkowa Górne okucie pochwy miecza Złote okucie w kształcie ryby Złoto – żyły złota w kwarcu lub samorodki Pozyskiwanie: •Kruszenie kwarcu •Mieszanie z wodą •Przecedzenie przez owcze runo (Złote runo i Argonauci?) Złoża – tylko w Egipcie na pustyni nubijskiej Elektrum - minerał z grupy pierwiastków rodzimych będący stopem złota i srebra (ponad 20%), z niewielką ilością miedzi oraz żelaza. Nazwa wywodzi się od bladożółtej barwy przypominającej bursztyn (łac. electrum = bursztyn). Minerał bardzo rzadki. Etruscy jeźdźcy. Srebrna plakietka z dodatkami z elektrum, ok. 540–520 p.n.e. Początkowo, 1300 r. p.n.e., podczas otrzymywania złota, srebro było odpadem – separacja polegała na wielokrotnym podgrzewaniu stopu złota i srebra z solą, która łącząc się ze srebrem tworzyła chlorek srebra który był wylewany Duże zapotrzebowanie na złoto i srebro doprowadziło do rozwoju metod pozyskiwania – amalgamatowanie •Mielenie rudy zawierające cenne metale •Wymieszanie z rtęcią (rtęć rozpuszcza te metale, tworząc amalgamaty, natomiast nie zwilża pozostałych składników rudy, które dzięki temu można oddzielić) •Destylacja rtęci •Pozostałości podestylacyjne zawierają duże ilości metali Srebro wydobywano z rud ołowiu (galena) Redukcja rudy do ołowiu i srebra Kupelacja - utlenianie ołowiu i srebra w płytkich porowatych misach np. z popiołu kostnego (kupelach), przez ogrzewanie do temperatury powyżej 961°C; Odparowanie tlenku ołowiawego i jego absorpcja w okruchach ceramicznych lub kostnych; w misie pozostawała kulka czystego srebra Niska wydajność – z 1 tony ołowiu pozyskiwano 0,5 kg srebra Zajmowano się także jego fałszowaniem - receptura z tebańskiego papirusu na fałszywe srebro (amalgamat cyny): Weź cyny, 12 drachm (3,411 g); rtęci 4 drachmy; ziemi z Chios (biała glinka) 2 drachmy. Do roztopionej cyny dodaj sproszkowaną ziemię, potem dolej rtęć, zamieszaj żelaznym prętem i używaj. Galena z kwarcem. Galena tworzy zwykle dobrze wykształcone kryształy w kształcie sześcianów lub ośmiościanów, także skupienia zbite. Zwykle zawiera domieszki srebra, także kadmu, germanu, selenu i telluru. Jest najważniejszą rudą ołowiu i srebra. Ołów jeden z pierwszych metali otrzymanych przez wytapianie z rud; Galena zawiera głównie siarczek ołowiu – ogrzewanie powoduje przejście w mieszaninę związków siarczku i tlenku ołowiawego, która w temp. 800°C redukowano do ołowiu metalicznego Własności użytkowe ołowiu •Znacznie mniejsza wytrzymałość niż miedź i jej stopy – nieprzydatny do wytwarzania narzędzi ani broni; •Miękki, łatwy do kształtowania i odlewania – klamry do łączenia bloków kamiennych w budownictwie, blachy do pokrywania dachów, lut ( stop z cyną) do łączenia innych metali •Ołów służył w budownictwie, ale Rzymianie zaczęli go stosować także do wytwarzania rurociągów (Czy ołowica, zatrucie ołowiem, wywarła wpływ na upadek rzymskiego imperium?) Miedź wcześnie wkroczyła w życie człowieka – już w 7 tysiącleciu p.n.e., jest wprawdzie rzadka, stanowi ona zaledwie 0,0058% skorupy ziemskiej, podczas gdy żelazo dokładnie 100 razy tyle, jednak, w przeciwieństwie do żelaza, występuje w postaci czystego metalu oraz łatwo topliwych minerałów, jak malachit lub azuryt. Miedź rodzima występuje lub występowała: USA – okolice Jeziora Górnego (największe złoża na świecie; w 1857r. znaleziono tu bryłę miedzi rodzimej o masie 420t), Arizona, New Jersey, Australia – Broken Hill, Mount Isa, Chile, Meksyk, Boliwia, Rosja, Kazachstan, Namibia, Niemcy, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Czechy, Węgry. Dopóki rzemieślnicy zdani byli na miedź rodzimą, robili z niej tylko małe ozdoby i przedmioty kultu. Otrzymany metal miał różny skład chemiczny w zależności od składu rudy: Węgry 4,5% antymonu Niemcy 2-4% niklu Egipt 2-4% arsenu Kornwalia – rudy miedzi i cyny występowały razem stąd powstawał naturalny brąz W krajach basenu Morza Śródziemnego znajdowały się złoża minerałów zasobnych w miedź , np. na Cyprze - miedź po łacinie to „cuprum” – metal cypryjski; azuryt Cu3(CO3)2(OH)2, malachit Cu2CO3(OH)2 (węglany). Po wyczerpaniu się tych minerałów zaczęto wytapiać siarczki, gdzie obok miedzi występował siarczek żelaza (wtedy to przypuszczalnie rozpoczęła się epoka żelaza). Siarczki: chalkopiryt CuFeS2, chalkozyn Cu2S, bornit Cu5FeS4; Rudy te wykrywano często powonieniem, na nosa, jak to teraz mówimy – rudom miedzi towarzyszyły rudy arsenu, o zapachu czosnku. ę SĘ c. 3, so „se p =% Cord. del Tauro „ag, [> =2 | Chipre z % «5 % m Ę ksz) d z ah > Egipto Desierto de © Arabia e Regiones productoras de metales utilizados en Mesopotamia > irźnico BB Cobre a> Estańo „> Hierro „EĆ> Ora <> Plata > Foro Brance arseniaso (hasta sigla Ill] Bronce de estańa Valle del Indo s£E©> s Magan Obszary górnicze starożytnego Bliskiego Wschodu Wiele przedmiotów odlewano metodą traconego wosku, wykorzystywaną do dzisiaj np. przy produkcji łopatek turbin w nowoczesnych samolotach, choć już nie z miedzi. Najpierw sporządzano woskową replikę, rzeźbiąc powierzchnię wosku osadzoną na glinianym rdzeniu, następnie na wosk kładziono glinę, wypełniając wszystkie wyryte szczegóły i pozostawiając jedynie niewielkie otwory. Po wysuszeniu warstwy gliny całość wypalano, wosk wytapiał się i wypływał przez otwory, a w efekcie otrzymywano formę gotową do odlewu, potem wlewano ciekły metal, a po jego zastygnięciu rozbijano formę i otrzymywano gotowy przedmiot. Stosowano także kucie do postaci blachy, wyciąganie, trybowanie (repusowanie) i cyzelowanie oraz obróbkę powierzchniową. (Egipt, ok. 2550r. P.n.e. – misa i dzban miedziany pokryty warstwą antymonu, twarda, ściśle przylegająca warstwa, - technika gotowania w trójsiarczku antymonu z weglanem sodowym) Jakkolwiek wytapianie doprowadziło do uzyskania metali spowodowało także mnóstwo problemów praktycznych. Do uzyskania 5 kg miedzi potrzebnej do wykonania 10-20 siekier, starożytni hutnicy potrzebowali co najmniej 100 kg węgla drzewnego. Miedź i turkus wydobywano dla egipskich faraonów w południowej części pustyni na półwyspie Synaj. Poszukiwania tych materiałów stały się przyczyną pierwszych podbojów egipskich, a tym samym powstania egipskiego imperium. Skarby z pustyni judejskiej reprezentują szczyt metalurgicznej biegłości rzemieślników z okresu eneolitu (lata 4500-3150 p.n.e.), w którym zaczęto obrabiać na szeroką skalę miedź i stopy miedzi z arsenem. Figurka formowana w miedzi (Mezopotamia, 5000 p.n.e.) Nahal Miszmar; Pustynia Judzka; skarb z okresu chalkolitu (4500-3150 r p.n.e.), kilkaset wyrobów miedzianych wykonanych techniką wosku traconego Epoka brązu Bliski Wschód (3300-1200 p.n.e.) Kaukaz, Anatolia, rejon Egejski, Egipt, Mezopotamia, Elam Indie (3000-1200 p.n.e.) Europa (2300-600 p.n.e.) Chiny (2000-700 p.n.e.) Korea (800-400 p.n.e.) Aby otrzymać brąz konieczne było spełnienie na raz kilku warunków: • Dostęp do odpowiednich rud: miedzi, cyny, antymonu arsenu • Wystarczająca ilość paliwa: drewno, węgiel drzewny, nasiona, suszony nawóz, gałęzie • Silny przepływ powietrza: miech, ludzkie płuca, wiatr • Narzędzia: do obróbki ciekłego metalu, do przygotowywania form • Piec: do przetapiania rud, mieszania i dokonywania spustu • Formy: wykonane w odpowiednim kształcie Prawdopodobnie w XXXII wieku p.n.e. zaczęto do miedzi dodawać cynę, otrzymując w ten sposób brąz. Był to początek tak zwanej epoki brązu, jednak miedzi i stopu miedzi z arsenem jeszcze przez następne tysiąc lat powszechnie używano do wyrobu narzędzi i broni. Brąz oraz stopy miedzi z arsenem zawierają na ogół 90 do 95 procent wagowych miedzi i małą ilość drugiego składnika. Brąz jest stopem miedzi i cyny. Dlaczego wytapiacze zaczęli dodawać do miedzi cynę? Produkcja stopów przynosiła dwie korzyści: wzmacniała metal w procesie zwanym "utwardzaniem roztworowym" oraz ułatwiała odlewanie, ponieważ stopy miały niższą temperaturę topnienia. Naczynie (asymetryczne) na wino, VIII w. p.n.e., Chiny, brąz (25.4 cm) Dzwon, 786–756 r. p.n.e., Ur (Iran); Brąz, żelazo; (8.71 cm) BRĄZOWE LUSTRO, OPRAWA, lustro wotywne z Memfis (Egiph, ok. 700-600 p.n.e. — Etruska sztuka, brązowe lustro, V w. p.n.e. Malowidła z egipskich grobowców pochodzących z końca drugiego tysiąclecia p.n.e. przedstawiają metalurgów, którzy celowo topili razem wlewki miedzi i cyny. Wersję tę podtrzymuje również zapis pismem klinowym znaleziony w Mari (Sumer): "Jedna trzecia miny cyny do 25/6 miny wypłukanej miedzi z Terna zostało stopione w stosunku osiem do jednego. Razem: trzy miny, dziesięć szekli brązu na klucz". Z tego wyraźnie wynika, że dodawano cynę do miedzi po to, by otrzymać brąz. Robotnicy płacili wysoką cenę za pracę przy miedzi. Ryzykowali życiem, wdychając uchodzące z pieców trujące opary trójtlenku arsenawego. Mimo ponoszonego ryzyka, brązownicy starożytności osiągnęli zadziwiające mistrzostwo w odlewaniu monumentalnych rzeźb. Pracując dla Salomona przy budowie świątyni w Jerozolimie w X wieku p.n.e., Hiram z Tym odlał brązowe kolumny wysokości 23 łokci (11,5 m - jeden łokieć odpowiadał około 50 cm) oraz brązową misę opisaną w Księdze Królewskiej. Rekonstrukcja wyglądu Świątyni Salomona jest możliwa jedynie na podstawie opisów biblijnych, Odlane z brązu kolumny o imionach Jakin i Boaz Brązowy zbiornik na wodę, tzw. morze Kolos Rodyjski – jeden z siedmiu cudów świata. Olbrzymich rozmiarów posąg Heliosa wybudowany na wyspie Rodos przez Charesa z Lindos w 292-280 roku p.n.e. Monument wykonano z brązu i ustawiono u wejścia do portu dla upamiętnienia zwycięstwa Seleukosa I Nikatora nad Demetriuszem Poliorketesem (304 p.n.e.). Posąg miał ok. 32-36 m wysokości i ważył ok.70 ton. Widoczny był już z okolicznych wysp. Kolos Rodyjski według wyobrażeń z XVI wieku. Sztych Martena van Heemskerck Jak wykonywano duże odlewy? Tiangong Kaiwu – encyklopedia,1637 Egipt Wojownik hoplita, część fryzu na szyjce krateru z Vix, ogromnego (o wysokości 1.54 mj brązowego naczynia da mieszania wina, z końca V| w. p.n.e. Odkrycie tego naczynia pochodzącego prawdopodobnie ze Sparty w kurhanie galijskiaj księżny we wschodniej Francji dowodzi istniania powiązań handlowych między archaiczną Grecją a światem celtyckim. Wyroby takia magły być oliarowywane niegrackim wodzom w celu zdobycia ich zgody na handel z Grekami, zwłaszcza handel metalami. Glowa z brązu z miasta lfe, Nigeria [XI w.?]. Wydrążona głowy rzedslawiające zmarłych królów są tyaowe dla rzeżby nigeryjskiaj, która rozwijała się od XII do XIX w. Tradycyjnie zwane „brązam' rzeżby te, zwłaszcza wcześniejsze prace, w rzeczywiatości wykonane były z mosiądzu. Trójnóg ding, brąz, epoka Shang (XVI-XI w. p.n.e.), największy ważył 875 kg 40 tonowy, jeden z 8 lwów z pałacu w Niniwie Brązowy grot oszczepu. Wczesna epoka brązu. Dla porównania krzemienny grot oszczepu. Nóż z rękojeścią Pierścionek brązowy Spirala brązowa Zastosowanie stopów miedzi wywarło istotny wpływ na codzienne życie zwykłych ludzi, a w następstwie na kulturę. •Wytwarzanie narzędzi – groty strzał, sierpy, młotki, siekiery sztylety –produkcja masowa, lepsze dostosowanie kształtu do potrzeb •Możliwość nadania krawędziom wyższej twardości i ostrości •Możliwość naprawy narzędzi zgiętych lub stępionych •Możliwość wytwarzania nowych narzędzi – piły, wiertła •Narzędzia precyzyjne •Trwalsze wyroby – pług, wędzidło •Zbroje