Металл подобен живому существу — он рождается, работает, утомляется и умирает. Металлу свойствен даже рост, т. е. увеличение объема. Но, в отличие от живого существа, для металла это явление считается болезненным, так как порождает много неприятностей для техников.
Чугун растет при многочисленных повторных нагревах. Особенно быстро растут чугунные детали, подвергающиеся действию перегретого пара и высокой температуры.
Против этой болезни металлов лекарств еще не найдено. Но исследователи ищут профилактические (предупредительные) меры, подбирая соответственно химический состав чугуна и улучшая его термическую обработку.
Современной науке известны причины, порождающие эту болезнь. Теперь борьба с ней проводится без порчи предмета.
Олово известно нам в двух видах, или, как говорят, в двух аллотропических формах: белое олово, механически прочное, и олово серое, непрочное. Белая форма склонна переходить в серую при температуре ниже минус 20°. Соприкосновение серого куска олова с белым ускоряет переход одной формы в другую. С наибольшей скоростью этот переход идет при температуре — 45°. В неотапливаемых древних храмах и музеях и совершалось это превращение олова.
Современное лечение чумы олова состоит в нагревании заболевшего предмета до температуры 100—110° или просто в купании оловянного предмета в кипятке.
*
Злейший враг большинства металлов — это кислород. Он постепенно разъедает металл и доводит его до полного разрушения. Болезнь эта известна под названием коррозии.
Коррозии подвержены, главным образом, черные металлы: сталь и чугун. Насколько громадно и убыточно действие кислорода на металл, показывают статистические подсчеты. 41 проц. мировой продукции металлической промышленности погиб за последние 34 года от этой болезни.
Кислород может поражать металлы двояким способом. При обычной температуре (от 10 до 15°) коррозия происходит от наличия кислорода и воды (влаги). Для железа это будет всем известное ржавление. Оно усиливается в присутствии кислот. При высоких же температурах металл поражается от одного кислорода воздуха или же какого-либо другого газа окислительного характера. Второй вид коррозии мы называем уже горением.
 |
| Отливка чугунной шестерни, у которой появились трещины в местах соединения спиц с ободом. Трещины появились из-за перенапряжений в острых углах спиц. Для избежания трещин следовало бы спроектировать более плавные переходы от спиц к ободу. |
Если ржавчина покрывает какой-либо предмет, сделанный из одного металла, то такое ржавление мы называем химическим, так как оно происходит от химического воздействия окружающей среды на металл.
Но ржавление может быть и электрохимическим, т. е. ржавление одного из двух соприкасающихся металлов. Электрохимическим оно называется потому, что при соприкосновении некоторых металлов друг с другом образуется гальванический элемент, дающий электрический ток. В этом случае кислород отлагается на том металле, который является анодом (положительным полюсом).
Все металлы можно расположить в таблицу по парам. Здесь каждый металл является анодом по отношению к последующему:
Таким образом неудачное сочетание двух и более металлов в какой-либо конструкции, работающей в сырости, чрезвычайно повышает их ржавление: металл, являющийся анодом, быстро выходит из строя.
Но этим же свойством металлов современная техника пользуется и для защиты главной детали от разъедания. Например, в паровых железных котлах подвешивается цинковый лист. В сочетании железо-цинк этот лист является анодом, поэтому кислород отлагается на нем. В результате от разъедания гибнет цинковый лист, а не самый котел.
Обычно окисленное (заржавленное) место делается рыхлым, кислород проникает благодаря этому в более глубокие слои металла и продолжает свою разрушающую работу. Если же окисленный слой плотен, то он сам предохраняет металл от дальнейшего разъедания.
Средств борьбы с коррозией очень много.
В основном они заключаются в покрытии металла защитным слоем краски, эмали, металла и т. д. Но все они действительны только до тех пор, пока покрывающие вещества не имеют трещин и пор. Появление же трещин не только не предохраняет от ржавления, но даже усиливает его. Автору этих строк известен случай проедания котла ржавчиной на местах знаков, сделанных масляной краской. Поэтому необходимо своевременно удалять старую краску, заменять ее новой и следить за тем, чтобы она лежала все время плотным сплошным слоем.
Некоторые металлы и их сплавы обладают свойством самозащиты против коррозии. Например; алюминий и его сплавы при окислении покрываются тончайшей пленкой. Эта пленка глинозема защищает алюминий от дальнейшего действия кислорода. Но вместе с тем эта пленка не всегда играет положительную роль, так как она препятствует пайке и сварке алюминия.
Свинец при образовании коррозии от влаги покрывается слоем углекислого свинца. Этот слой образуется под действием углекислоты, находящейся в воде. Он настолько плотен, что не пропускает кислород к чистому свинцу.
Водяные трубы и паровые котлы болеют еще особой болезнью, называемой кавитозом или кавитацией. Это особое губчатообразное разъедание. Растворенный в воде воздух содержит кислорода в 8 раз больше, чем воздух атмосферный. Поэтому воздух, выделенный водой в трубах и котлах, весьма обогащен кислородом и окисляет металл энергичнее, чем атмосферный воздух. Вот почему теперь мы обращаем такое большое внимание на удаление из котлов не только солей дающих накипь, но и газов и в первую очередь воздуха.
Существует весьма простой способ удаления воздуха из котла. В котел вставляется стальная легко сменяемая труба. Через нее пропускается электрический ток, так что трубка делается анодом. Поэтому на ней выделяется кислород и разрушает ее. А котел остается целым. К сожалению, этот простой и надежный способ применим только к цилиндрическим котлам. В нецилиндрических котлах, представляющих собой систему отдельных водогрейных труб, по которым идет воздух, пришлось бы поставить столько же электропроводящих труб, сколько имеется водогрейных. Другими словами, каждая водогрейная труба должна была бы иметь внутри себя токопроводящую трубу. Это, разумеется, было бы слишком сложно и дорого. Для котлов нецилиндрических остается пока лишь слабый и малонадежный способ покрытия котельных стенок различными коллоидами (белковые вещества, клей и пр.), которые несколько задерживают ржавление.
*
В больших городах и промышленных центрах громадные убытки причиняют так называемые блуждающие токи. Из проложенных в земле кабелей, трамвайных рельсов ускользает некоторое количество электричества. Это электричество действует на трубы городского водопровода, на длинные металлические стержни и т. п. Это и есть блуждающие токи — бич городского хозяйства.
Разъедание блуждающими токами водопроводных труб известно давно. Но до последнего времени почти совершенно не обращалось внимания на разъедание ими железобетона. Между тем железобетон в сырости и без надлежащей изоляции может лишиться в значительной степени или даже полностью своей железной арматуры. Кроме того, арматура эта, превращаясь в водную окись железа, увеличивается в объеме и разрывает бетон.
По всей вероятности этим и объясняются загадочные случаи разрушения железобетонных плотин и грандиозных водопроводов в США.
При постройке Московского метрополитена это влияние блуждающих токов было учтено. Прокладка тоннеля велась с помощью специальных изоляционных материалов, которые будут предохранять железобетон от действия блуждающих токов.
*
Наиболее распространенная болезнь металлов — это свищи, раковины, трещины и т. п.
Свищи наиболее часто встречаются в крупных стальных болванках, отлитых сверху. Они представляют собой удлиненные пузыри, идущие изнутри до поверхности металла. Причина появления свищей — окисленные капли стали, налипшие к стенкам изложниц. Когда из разливного ковша в изложницы наливается сталь, эти окисленные капли растворяются в общей массе литья, соединяются с углеродом и дают окись углерода. Окись углерода, или, как ее называют, угарный газ, выходит на поверхность и образует газовую раковину — свищ.
Борьба с этим явлением очень проста. На изложницы надевают специальный кожух из кровельного железа. Он принимает на себя брызги стали и предохраняет от них стенки изложницы.
Раковины часто встречаются в литых изделиях. Эти раковины образуются при остывании металлических болванок, когда температура металла чрезмерно высока, и когда он содержит много серы. Это так называемые усадочные раковины.
Иногда расплавленный металл поглощает газы из окружающего пространства. Газы могут задержаться в металле и образовать так называемые газовые раковины, которые отличаются от усадочных раковин своей более или менее правильной формой, с округлыми краями и гладкой поверхностью.
В расплавленный металл могут попасть шлаки из топлива, футеровки печи, флюсов и т. п. Тогда образуются на поверхности отливки шлаковые раковины. То же получается и от попадания в отливку формовочной земли при заливке металла в форму.
Современная техника выработала различные способы борьбы с раковинами в металлах. Например, для уничтожения усадочных раковин в отливках делаются так называемые прибыли, т. е. массивные придатки, питающие отливку металлом во время ее усадки. При нагреве болванки на общем фоне раскаленного металла раковины ясно видны благодаря своему темнокрасному цвету. Обнаруженные раковины надо обязательно вырубить. При последующей обработке — ковке или прокатке — эта пустота уже не может завариться, и остается непоправимый дефект — расслой, тянущийся почти во всю длину листа, вала и т. д.
 |
| Для уничтожения усадочных раковин в отливках делаются прибыли — массивные придатки, питающие отливку металлом во время усадки. Чертеж показывает прибыль, поставленную над фланцем парового цилиндра. |
Если, скажем, усадочная раковина вырезана недостаточно тщательно, то под влиянием ковки или прокатки получается расслой, — раковина сдавливается, противоположные стенки ее соприкасаются, образуя слоистые нити. Если же болванка с раковиной, еще жидкая внутри, упадет почему-либо на бок и так застынет, то усадочная раковина образует разлитую плоскую пустоту в верхней плоскости лежащей болванки. Все эти дефекты особенно часто встречаются в котельных сталях.
 |
| Если болванка с раковиной, еще жидкая внутри, упадет на бок, то усадочная раковина образует разлитую плоскую пустоту в верхней плоскости лежащей болванки. |
Красная медь страдает иногда чрезвычайно интересной болезнью — водянкой. Если красная медь при отливке была не вполне раскалена, то в ее массе равномерно распределяется кислород в виде закиси меди. При нагреве такой меди в среде углеводородов и получается водянка. Углеводороды представляют собой соединение углерода с водородом (метан, этилен, ацетилен, бензол и др.). При высокой температуре они выделяют свободный водород, который, встретившись в толще металла с кислородом, образует воду; последняя не может поглощаться металлом и потому образует в изделии опухоли и разрывы.
*
Один из самых серьезных дефектов, нередко заставляющий отказаться от употребления той или иной дорогостоящей отливки или поковки, — это трещины. Трещины могут быть наружные и внутренние.
Наружные трещины образуются от неравномерного нагревания и охлаждения болванок или готовых изделий. Легче всего они образуются в чугунах и высокоуглеродистых сталях. Поэтому при термической обработке последних нужно соблюдать целый ряд предохранительных мер.
Внутренние трещины могут получаться в результате резких изменений поперечного сечения детали или неправильной механической обработки. Тогда в металле возникают узлы повышенного напряжения. Это весьма большой недостаток, особенно в деталях, которые подвергаются переменной нагрузке. В таких деталях появляются сначала трещины, а затем деталь может и вовсе расколоться.
При сверлении, грубой обточке детали, штамповке возникают иногда местные перенапряжения. Это явление известно всем конструкторам. Однако немногие из них хорошо представляют себе, как велико это перенапряжение, хотя первые опыты в этой области и были проделаны более 20 лет назад.
 |
| Отливка рамы фрикционного пресса с трещинами. Появление трещин — результат перенапряжения в острых переходах от одной части отливки к другой. |
Большинство конструкторов ведут расчеты по слабому месту, так называемому опасному сечению. При этом они не учитывают особенностей очертания деталей и методов их обработки. В результате получаются микроскопические трещины, которые постепенно увеличиваются в размерах и приводят деталь к разрушению.
Весьма опасная болезнь для металла — это утомление, или, как иногда говорят, старение. Утомление заключается в том, что в кристаллах металла образуются мельчайшие надрывы, и прочность металла резко снижается без видимых признаков, которые могли бы предупредить о предстоящей катастрофе. Усталость металла порождается многократными колебаниями нагрузки. От этой болезни особенно сильно страдают мосты, краны, поршневые штоки и вагонные оси
Если учесть громадные скорости, встречающиеся в современной технике, например паровые турбины до 27 тыс. оборотов в минуту, то не будет удивительным, что случаи утомления встречаются все чаще и чаще. Радикального же лекарства против этой болезни еще не найдено.
Прежде считалось, что металл, находящийся долго под напряжением, устает, а металл, долго находящийся под воздействием переменной нагрузки, меняет свою структуру, т. е. кристаллы его увеличиваются в размере. Развитие молодой науки — металлографии — показало, что мнение это неправильно. При усталости металлов мы не замечаем перерождения структуры из мелкозернистой в крупнозернистую. Усталость можно объяснить только появлением в самих зернах (кристаллах) мельчайших надрывов-трещин.
*
Теперь мы видим, что металлы действительно могут подобно живому существу рождаться, работать, болеть и умирать. Инженер, если он хочет создать вполне доброкачественную и долговечную конструкцию, должен знать не только механические качества металла, но и его болезни. Он не должен допускать к работе «заболевший» металл. Здесь ему приходят на помощь лаборатории по испытаниям металла, своего рода поликлиники, где металл тщательно выстукивается, просматривается, просвечивается, где ставится «диагноз» болезни металла и определяется характер его лечения.
Комментариев нет:
Отправить комментарий