| << | #270 ; Gravaj inĝenieraj bazoj de metalurgio |
>> |
Detaloj de metalurgio, la inĝeniera doktrino pri metaloj, ofte ne estas tre klarbildaj. La bazojn de strukturo de metaloj tamen oni povas prezenti iom facile. Ni pensu ĉi tie nur pri fero (ĥemia simbolo Fe) kaj ŝtalo. Ĝenerale ŝtalo ja ne estas pura fero, sed nun ni plejparte pensas pri pura fero, kvankam en tekniko oni volas paroli nur pri ŝtalo, kio certe estas plejparte fero. Pura fero ne estas teknike uzebla, ĉar estas tre mola kaj facile rustiĝas, sed ni tamen pensu pri praktike pura fero kiel ia idealo.
Jen grava iom malnova diagramo pri ŝtalo. En la horizontala akso de diagramo estas porcio de karbono (ĥemia simbolo C) en procentoj, 0 ... 5%. Ŝtalo ĝenerale havas maksimume 2% da karbono. Tradicie oni nomis feron kiel 'gisfero' se estas pli ol 2% da karbono. Gisferon oni ne indas forĝi, ĉar estas fragila. La multaj atomoj de karbono iamaniere difektas la metalan strukturon de fero, pro ilia alia grando. Se estas tre multe da karbono en fero, ekzemple 5%, la rezulto certe estas teknike neuzeble malbona.
Ni tamen nun tute ignoru karbonon. Ni nur pensu pri pura fero, la plej maldekstra vertikala parto de diagramo, 0% da karbono en fero.
En la vertikala akso estas temperaturo, proksimume el 500°C sube ĝis 1600°C supre. Pura fero fandiĝas (degelas al fluido) en temperaturo iom pli ol 1500°C. Fluido ne havas ian fiksan strukturon de atomoj. En fluido atomoj povas libere movi. Estas neniaj kristaloj en fluido. Fluido ne ne havas sian propran formon, sed proprigas al si la formon de ujo.
Do plejparte temas pri fero en solida stato. Eble vi tamen volas noti ke fero fandiĝas jam sub 1200°C se estas proksimume 4% da karbono kune. Ni tamen nur pensu pri pura fero.
Ni ne pensas nun pri la plej altaj temperaturoj. Ni pensu pri temperaturoj de pura fero ekzemple el norma ĉambra temperaturo 20°C ĝis proksimume 1000°C. La pli alta temperaturo certe estas varmega. Akvo jam bolas je 100°C en norma premo. Mi kredas ke ekzemple ligno jam disrompiĝas aŭ ekflamas en aero je 300°C.
Fero en temperaturo 1000°C certe estas varmega, perdis multe da firmeco kaj brilas mem lumon, sed estas ankoraŭ solida, ne fluida.
Mi volas ankaŭ klarigi ke la diagramo validas nur se la temperaturo aliiĝas tre malrapide. Se ŝtalo estas unue tre varmega kaj oni ĝin rapide malvarmigas (hardado de ŝtalo), oni ne povas uzi rekte la diagramon. Ankaŭ tempo havas signifon en tiaj operacioj kaj tion nia diagramo ne rakontas.
La strukturo de ŝtalo en la diagramo estas kondiĉe ke la temperaturo varias nur tre malrapide. Se la temperaturo varias rapide, ŝtalo eble ne havas sufiĉan tempon por aliigi sian internan strukturon al tio kion la principa diagramo provas indiki por tio temperaturo. La strukturo de varmega metalo povas iamaniere 'frostiĝi' aŭ 'solidiĝi' kiam oni rapide malvarmigas la metalon.
Do ni havas praktike pura fero, unue ekzemple en norma ĉambra temperaturo 20°C. La fero estas nun α-fero (alfa-fero). Ni komencas varmigi la feron. Se ni tuŝas la feron kiam la temperaturo estas ekzemple 60°C aŭ pli, ni povas jam ekhavi brulvundon por nia haŭto. Ni tamen kontinuas por forte varmigi la feron ekzemple ĝis 500°C kie nia diagramo komencas. Estas ankoraŭ la sama strukturo, α-fero.
Sed ni ne estas kontentaj je tio. Ni egoisme kaj insiste kontinuas la varmigadon. La temperaturo leviĝas ĝis 1000°C kaj la fero ne plu estas α-fero, anstataŭ tio estas iom alia interna strukturo γ-fero (gamma-fero). Kaj ni notu ke la fero estas en solida stato la tutan tempon, tute ne fluida.
Kiaj do aperus la strukturo de α-fero kaj γ-fero se ni povus ilin vidi? Norme ni ja ne povas vidi unuopaj atomoj en lumo, eĉ kun forta norma mikroskopo. Vikipedio povas rakonti pri atomo kaj elektronoj. Atomoj estas tre malgrandaj, multe pli malgrandaj ol la ondolongo de lumo. Grando de diversaj atomoj estas iom varia, sed la diametro de metala atomo estas malpli ol 1 nm = 10-9 metroj = 0,000001 milimetroj.
Ondolongo de videbla lumo estas almenaŭ 400 nm, do multe pli multe ol diametro de atomo. Eblas vidi en lumo strukturoj kiuj estas almenaŭ proksimume 1/4 da ondolongo de lumo en grando, do almenaŭ 100 nm aŭ 0,0001 mm = 0,1 μm aŭ pli multe, prefere pli grandaj ol proksimume 500 nm. Lumo estas vibrado, oscilado kaj ondolongo metas fizikan limon por disiga kapablo de luma mikroskopo, sendepende de kvalito de ilo.
Kiel simpla ekzemplo mi povus imagi ke la diametro de plej malgranda parteto videbla per nuraj okuloj estus proksimume 0,1 milimetroj. Se ni posedus luman mikroskopon perfektan kun milfoja pligrandigo, ni povus vidi uzante la helpilon eĉ plej malgrandan 1000-fojoj pligrandigitan eton kio vere estus en diametro 0,1 mm / 1000 = 0,0001 mm = 0,1 μm = 100 nm .
Oni tamen povas iom utiligi lumaj mikroskopoj por esplori metaloj. Metaloj ja ne estas travideblaj, sed eblas prepari specimenoj kaj lumigi la surfacon. En praktiko en metaloj estas iom grandaj grajnoj aŭ granuloj, kiuj estas pli ol 0,005 mm = 5 μm = 5000 nm en grando. Eblas bone vidi ilin per luma mikroskopo kiam la specimeno estas bone preparita. Tioj grajnoj havas grandan signifon por la ecoj de metalo.
La grajnoj mem povas esti tre puraj, sed malpuraĵoj kolektiĝas en la limoj inter diversaj grajnoj. Limoj de grajnoj signifas multe por la praktika firmeco de metalo. Nur en ioj tre specialaj kazoj eblas produkti metalajn partojn kiuj estas tute sen limoj inter grajnoj. Tiam estas la metala parto nur unu kristalo, unu grajno. Norme grajnaj limoj tamen estas praktike gravaj en metalurgio.
Ĥemio instruas ke la ĥemiaj kvalitoj estas la plej gravaj. En praktiko tamen multe signifas ioj, ĉu mi diru mekanikaj ecoj de metalo. Aroj da malpli ol 1 nm diametraj unuopaj atomoj. Grajnoj kun diametro 5000 nm aŭ pli. Longe vivu mekaniko!
Ofte eblas ja prilabori feron/ŝtalon mekanike, ekzemple forĝi. Ŝtalo estas tenaca metalo. La metalo estos pli malmola kiam estas pli da karbono ene. Prilaborado certe influas la grajnojn. La strukturo de metalo fariĝas pli kompleksa. Oni tamen povas startigi la formigon de grajnoj denove tiel ke oni varmigas la metalon al certa iom alta temperaturo. Por pura fero tia temperaturo estas 450°C kaj por tipa ŝtalo 600°C aŭ pli alta. Manipulado per varmego havas grandan signifon por la ecoj de ŝtalo.
Sed ni returnu al atomoj kaj tiaj kiel eble plej malgrandaj aroj da atomoj kiuj jam prezentas la bazan strukturon de metalo. Certe la nura kerno de atomo estas eĉ pli malgranda, sed ni pensas pri tutaj atomoj kun normaj elektronoj. Ni provas prezenti atomoj kiel globoj, kvankam atomoj estas fakte plejparte nur malplena spaco.
Ĝis la temperaturo 910°C fero havas la internan strukturon α-fero kaj ni povas klarbildigi tion strukturon de atomoj (la globoj) kiel en la apuda dekstra desegnaĵo. La norma fero estas magneta ĝis temperaturo 768°C, sed perdas magnetan kvaliton en pli alta temperaturo.
Ni notu ke estas unu atomo en centro de kubo de ok atomoj. Tio atomo situas parte en ia "truo" inter la 8 aliaj atomoj kiuj estas en anguloj de kubo. Certe la sama strukturo ripetiĝas al ĉiuj direktoj, ĉi tio estas nur la baza principa modelo.
Se ni pensas ke ni movigus la suprajn atomojn horizontale koncerne la subajn atomojn, oni povus supozi ke la atomo en centro povus kaŭzi malhelpaĵon kaj ioman froton por la movigado. Ni do devus uzi iom multe da forto. La malvarma metalo do ne estas tre facila por prilabori.
Super la temperaturo 910°C la solida fero havas alian internan strukturon γ-fero kaj ni povas klarbildigi tion strukturon de atomoj kiel en la desegnaĵo maldekstre.
Tie estas 5 atomoj en ambaŭ la suba kaj la supra ebeno, kaj aldone 4 atomoj en la centra ebeno, sume 14 atomoj en la modelo de plej simpla interna strukturo de atomoj de fero. La atomoj en la centra ebeno situas parte en iaj 'truoj' inter la suba kaj supra ebeno.
Mi povas imagi ke pro ĉi tio strukturo estas pli facile por movigi la supran ebenon de atomoj koncerne la atomojn en la suba ebeno en varmega fero.
Nu, iam mi aĉetis kelkaj globoj de ligno kaj kolorigis (per akvofarboj) ilin por prezenti atomoj en ĥemiaj molekuloj. La ideo eble estis bona sed la rezulto ne estis tre bona kun simplaj manaj laboriloj. La kvalito estis mankhava sen bonaj iloj.
Nun mi tamen volus simple prezenti la strukturon de fero kun tiuj lignaj globoj. Koloroj estas aliaj en diversaj globoj, sed ĉiuj globoj estas nun atomoj de fero, grando la sama.
Unue mi volas klarbildigi la strukturon de α-fero kun kolorigitaj lignaj globoj. Jen la resulto en fotoj en 2 fazoj por klarigi ke ekzistas la grava centra atomo en la kubo de atomoj.
Unue ni havas en la modelo 4 atomoj sube kaj la kvina (flava koloro) atomo parte en la 'truo' de subaj atomoj kiel en la apuda foto.
Sekve ni metas la 4 suprajn atomojn de modelo sur la centra atomo por pretigi la modelon de α-fero, la norma fero en norma temperaturo.
Mi devis uzi iom da helpiloj por teni la mekanike nestabilajn globojn kiel unu tuteco, sed mi esperas ke la rezulto tamen estas klarbilda. Nur rigardu la globojn, tute ne vidu la helpilojn!
Nu, mi ne havas sufice da lignaj globoj de sama grando por prezenti modelon por γ-fero. Mi bezonus entute 14 lignaj globoj por tio.
Strukturo de metaloj, tre grava afero. Granda praktika signifo en tekniko. Certe estas multe da detaloj kaj mi ne provas mistifiki ke mi ĉion scius. Mi ne scias ĉion. Sed espereble mi lernos pli kaj pli, iom post iom.
Vi tamen bone notu ke la sekvanta foto de nia lasta modelo ne estas korekta. Estas nome nenia centra atomo en la kubo de 8 atomoj. Mi kredas ke estus tre facile por prilabori metalon se tio estus vera strukturo, tre facile por movigi la supran ebenon de atomoj.
En la inĝeniera lernejo oni certe instruis por nin iom pri metaloj, sed multaj detaloj estas jam obskuraj. Nu, fakte multe estis eĉ origine obskure. La temo kiel tutaĵo tute ne estas facila. Ekzistas dikaj lernolibroj pri la temo.
La stilo de nia maljuna instruisto estis iom malnova, sed principe bona. Li skribis sur tabulo per kreto el siaj propraj notoj kaj ni studantoj skribis la saman per plumo sur niaj kajeroj. Li certe estis unu el lastaj instruistoj kiuj uzis la malnovtipajn verajn membranojn por prezenti bildoj sur granda ekrano de klasejo per retroprojekciilo. Jaro estis proksimume 2014.
Retroprojekciilo estis relative nova kaj rara ilo en lernejo dum mia juneco dum 1970-aj jaroj, sed kredeble jam tre malnova en altlernejoj. Utileco kaj prudenteco ne plu gravas en altlernejoj, ili volas havi la plej novan solvon. Altlernejoj nuntempe imagas ke ĉio malnova estas malbona kaj nur la plej nova povas esti bona. Mi ne konsentas.
Nia maljuna instruisto de "doktrino pri metaloj" uzis tre hierarkian stilon, ekzemple 1. unu afero, 1.1. unua subafero, 2. dua afero, 2.1. dua subafero, ... kaj tiel plu, kiel en io manlibro, sed mia propra stilo estas alia. Mi ne volas skribi lernolibron. Tamen li estis bona praktika instruisto.
La vivo ankoraŭ ne ĉesis, provizore ekzistas tempo por lerni kaj legi. Ni progresos en povoscio. Finna industrio min tute ne bezonas, sed mi bezonas bonan scipovon por mi mem kiel honesta maŝina inĝeniero de nia kara nacio Mueleja Insulo.
Kaj certe fine .......... NI VENKOS!
| La Ambasadoro en Pori de sendependa nacio Mueleja Insulo |