Jakie właściwości posiadają stopy, że człowiek chce je mieć?

(1)

Jakie właściwości posiadają stopy, że człowiek chce je mieć?

Wprowadzenie Przeczytaj

Symulacja interaktywna Sprawdź się

Dla nauczyciela

Kujność, kowalność to plastyczna podatność metali na zmianę kształtu pod wpływem kucia. Określana na podstawie prób

(2)

Niektóre stopy, np. brąz czy stal, zostały odkryte lub wynalezione przez człowieka już w czasach prehistorycznych. Bez wątpienia umiejętność ich wytwarzania na zawsze zmieniła oblicze cywilizacji.

Choć od wytworzenia przez człowieka pierwszych stopów minęło sporo czasu, niezmienne pozostały ich podstawowe zalety, które sprawiły, że są tak pożądanym materiałem. Stopy mogą posiadać różnorodne właściwości, a większość z nich podlega obróbce mechanicznej i kształtowaniu. Mogą też mieć

dekoracyjny wygląd, a co istotne – mogą podlegać recyklingowi, a po przetworzeniu być wykorzystane ponownie. Wszystko to sprawia, że są stale wytwarzane przez człowieka.

Twoje cele

Podasz przykłady właściwości stopów.

Uzasadnisz cel wytwarzania stopów.

Zastanowisz się, które zalety sprawiają, że stopy są tak szeroko stosowane.

Jakie właściwości posiadają stopy, że człowiek chce je mieć?

Kujność, kowalność to plastyczna podatność metali na zmianę kształtu pod wpływem kucia. Określana na podstawie prób technologicznych.

Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: www.pixabay.com.

(3)

Przeczytaj

Znaczenie stopów w życiu człowieka

Wśród powodów, dla których stopy są tak ważne dla człowieka, należy wskazać ich uniwersalność.

Ciężko wskazać inne materiały, które pozwolą na wykonanie całych elementów konstrukcyjnych, precyzyjną (choć czasami niełatwą) obróbkę mechaniczną i naprawę, a po zużyciu poddadzą się recyklingowi. W dodatku całe elementy, zarówno bardzo drobne, jak i te olbrzymie, mogą być wykonane przez ich odlanie, a następnie wystudzenie, zestalenie i obróbkę stopu.

Praktycznie od kiedy znane są człowiekowi,

wykorzystywane są do wytwarzania narzędzi i broni.

Miecz wykonany z brązu, czyli stopu miedzi i cyny, był zdecydowanie lepszą bronią niż wykonany z czystej miedzi. Zastosowanie brązu do wykucia miecza pozwalało uzyskać broń znacznie twardszą, wytrzymalszą i dającą się dużo lepiej ostrzyć. Dominację brązu przerwało dopiero wynalezienie kolejnego stopu – stali. Jej niższa cena, uniwersalność zastosowań, wytrzymałość mechaniczna i łatwość w obróbce i łączeniu sprawiła, że do dziś jest najpowszechniej wykorzystywanym materiałem do budowy broni i narzędzi.

Właściwości i zastosowanie stopów

Stopy, w zależności od składu i struktury wewnętrznej, mogą przejawiać bardzo różne właściwości, często odmienne od właściwości swoich składników. Mimo tych różnic, większość stopów zachowuje właściwości typowe dla czystych metali, czyli sprężystość, połysk, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, ale przede wszystkim plastyczność.

Topienie i odlewanie stopu

Miecze z brązu wykonane 1700 lat p.n.e.

Źródło: licencja: CC BY-SA 3.0, dostępny w internecie:

www.commons.wikimedia.org.

(4)

Bardzo istotne są także duża odporność mechaniczna oraz zdolność do precyzyjnej obróbki. Dzięki temu stopy są tak powszechnie obecne w naszym świecie.

Ich podstawowe zastosowanie to materiał do wyrobu narzędzi i maszyn. Głównym powodem dla tak szerokiego rozpowszechnienia stopów jest łatwość obróbki mechanicznej. Obróbka i wytwarzanie narzędzi ze stali może odbywać się już w nawet prostym warsztacie kowalskim, gdzie podstawowe metody nie zmieniły się od tysięcy lat. Mimo to nadal pozwalają na wytwarzanie użytecznych przedmiotów.

Kucie narzędzi w warsztacie kowalskim

Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: www.pexels.com.

Kolejną właściwością, bardzo istotną z punktu widzenia zastosowań stopów, jest możliwość ich trwałego łączenia. Scalanie obiektów wykonanych ze stopów metali może odbywać się różnymi metodami, np.

poprzez lutowanie i spawanie, nitowanie, ale także klejenie. Warto pamiętać, że niektóre stopy, np. stopy magnezu czy glinu, bardzo dobrze znoszą obróbkę mechaniczną (np. toczenie czy frezowanie), ale ich lutowanie i spawanie jest często utrudnione lub nawet niemożliwe. Stopy te posiadają natomiast wiele zalet, takich jak sztywność, twardość, mały ciężar właściwy czy duża odporność korozyjna. Dlatego, mimo trudności z łączeniem elementów, są coraz powszechniej stosowane.

Spawanie metali

(5)

Stopy złota

Wiele ze stopów jest stosowanych i cenionych ze względu na swój atrakcyjny wygląd, a ciekawym przykładem mogą być stopy złota. Tak zwana próba złota określa zawartość czystego złota w stopie.

Może być wyrażona w promilach bądź karatach. Najczystszą formą złota jest złoto 24‑karatowe lub inaczej próby 999 (czyli 99,9% czystości). Takie złoto nie jest stopem, ale praktycznie czystym

chemicznie pierwiastkiem – Au. Oczywiście złoto o tej próbie jest najcenniejsze, jeśli chodzi o wartość kruszcu, ale praktycznie bezużyteczne jako materiał jubilerski. Jest po prostu zbyt miękkie, łatwo się rysuje i matowi. Dopiero stworzenie stopu przez dodatek innych metali, np. srebra, miedzi lub cynku, sprawia, że stopy złota stają się twarde i odporne mechanicznie. Dodatkowo wiele osób uważa stopy złota o niższej próbie za dużo bardziej atrakcyjne, jeśli chodzi o ich wygląd.

Sztabki czystego złota

Recykling stopów

W odróżnieniu od tworzyw sztucznych, większość stopów może podlegać naturalnym procesom biodegradacji na drodze korozji. Wynika z tego bardzo istotna kwestia, czyli recykling metali. Stopy metali nie tylko można poddawać recyklingowi, ale dodatkowo, jeśli proces jest poprawnie prowadzony, można ponownie uzyskać materiał o wysokiej jakości. Dzięki temu zarówno obniża się koszt wytwarzania stopów, jak i chroni środowisko. Śmiało można przyjąć, że stopy metali są jednym z pierwszych tworzyw, które człowiek nauczył się poddawać recyklingowi i to już w czasach prehistorycznych. Szacuje się, że w światowej produkcji stali blisko 90% surowca pochodzi z przeróbki złomu stalowego.

(6)

Korozja- naturalny proces utleniania metali

Jak widać, powody, dla których stopy są tak atrakcyjne dla człowieka, są bardzo różne. Trudno wymienić zarówno wszystkie, jak i jeden typowy powód decydujący o tym, dlaczego stopy są tak istotne dla człowieka. Mogą być atrakcyjne ze względu na swoje właściwości chemiczne, ﬁzyczne, mechaniczne, ale też dekoracyjne. Dlatego pozostają najważniejszym typem materiałów obecnych w życiu człowieka.

Przykłady stopów i ich właściwości, a także ich skład i zastosowanie poznasz, korzystając z multimedium.

Na podstawie składu i właściwości stopu zastanów się nad jego zastosowaniem. Czy uda Ci się dopasować stop do jego zastosowań?

Słownik

spawanie

metoda łączenia materiałów, głównie metali, poprzez ich miejscowe stopienie i zestalenie; stosowane np. do łączenia stali, ale także tworzyw sztucznych

lutowanie

metoda łączenia elementów metalowych za pomocą metalowego spoiwa zwanego lutem; typ połączenia często wykorzystywany do połączeń w elektronice

lut

inaczej lutowie, spoiwo lutownicze; metal służący do lutowania jako wypełnienie spoiny. Ma

temperaturę topnienia znacznie niższą od temperatury topnienia lutowanych materiałów; przykładem może być stop cyny z ołowiem

próba złota

sposób określenia zawartości złota w stopie wyrażonej w promilach; jeśli stop zawiera np. 96%

czystego złota, jest ono próby 960. Próba złota jest na ogół potwierdzana poprzez wybicie odpowiedniego znaku probierczego (cechy)

karat

jednostka (ct lub kr) używana do określania czystości złota, czyli zawartości złota w stopie; 1 karat to 124 zawartości wagowej złota w stopie, a czyste złoto (bez innych dodatków) to złoto 24‑karatowe;

jednostka masy używana w jubilerstwie (ct lub kt) do określania wielkości kamieni i pereł i odpowiada 0,2g

ciężar właściwy

(7)

stosunek ciężaru ciała do jego objętości; jego podstawową jednostką jest niuton na metr sześcienny (N·m )

złom

w metalurgii nazwa przedmiotów – odpadów metalowych, przeznaczonych do wykorzystania w procesie recyklingu, np. poprzez ich ponowne przetopienie

recykling

metoda ochrony środowiska naturalnego poprzez odzyskiwanie surowców z produktów odpadowych i wykorzystywanie ich do produkcji nowych, pożądanych towarów

Bibliograﬁa:

Greenwood N. N., Earnshaw A., Chemistry of the Elements, 2nd Edition, Oksford 1997.

Jones L., Atkins P., Kuryłowicz J., Chemia Ogólna, Warszawa 2004.

Lautenschlager K. H., Schroter W., Wanninger A., Mlostoń G., Nowoczesne Kompendium Chemii, Warszawa 2007.

Rudnik S., Metaloznawstwo, Warszawa 1998.

-3

(8)

Symulacja interaktywna

Polecenie 1

Zapoznaj się z poniższą symulacją interaktywną. Zobacz i zapamiętaj, jakimi właściwościami charakteryzują się poszczególne stopy. Następnie, w celu sprawdzenia swojej wiedzy, rozwiąż poniższe ćwiczenia.

Zasada działania symulacji: Z podanej listy wybierz stop, następnie dopasuj do niego prawidłowe właściwości i kliknij przycisk „sprawdź”. Jeżeli wybrane właściwości są poprawne zaświecą się one na zielono. Jeśli jednak udzielona odpowiedź będzie błędna wtedy zaświeci się na czerwono.

Symulacja interaktywna pt. ,,Jakie właściwości posiadają stopy?”

Źródło: GroMar Sp. z o.o., Maria Kalemba, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1 Ćwiczenie 2

(9)

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸醙難

Ćwiczenie 1 Ćwiczenie 2 Ćwiczenie 3 Ćwiczenie 4

輸輸輸醙

醙難

難難