Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Μηχανουργικά υλικά (σελ. 47) – ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Β ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Μηχανουργικά υλικά (σελ. 47)

Απαντήσεις στις ερωτήσεις Αξιολόγησης του βιβλίου.

Ομάδες υλικών ΚΑΙ κράματα

Ερώτηση: 1. Ποιες είναι οι κύριες ομάδες των μηχανουργικών υλικών; 2. Τι καλούμε κράματα; 3. Ποια ιστορική διαδρομή ακολούθησε η χρησιμοποίηση των μετάλλων - κραμάτων από τον άνθρωπο;

Απάντηση:

• 1. Κύριες ομάδες: τα μηχανουργικά υλικά διακρίνονται σε μεταλλικά και μη μεταλλικά. Τα μεταλλικά είναι σιδηρούχα (σφυρήλατος σίδηρος, χάλυβας, χυτοσίδηρος) και μη σιδηρούχα (χαλκός, ψευδάργυρος, μόλυβδος, κασσίτερος κ.ά.)· τα μη μεταλλικά είναι τα συνθετικά υλικά και τα φυσικά υλικά (ξύλο, γυαλί, δέρμα, καουτσούκ κ.ά.).
• 2. Κράματα: μεταλλικά υλικά που παρασκευάζονται με ανάμειξη δύο ή περισσότερων χημικών στοιχείων σε κατάσταση τήξης (λιωμένα)· από τα στοιχεία του κράματος τουλάχιστον ένα είναι μέταλλο και αποτελεί το κύριο συστατικό του.
• 3. Ιστορική διαδρομή: πριν από τα μέταλλα ο άνθρωπος χρησιμοποίησε ξύλο, πέτρα και οστά (λίθινη εποχή 2.000.000 – 3.000 π.Χ.). Πρώτα γνώρισε τα αυτοφυή μέταλλα (χρυσό, άργυρο, χαλκό και σίδηρο από μετεωρίτες) → εποχή του χαλκού (3000 – 1400 π.Χ.)· με τη φωτιά έλιωνε τα μέταλλα και τα έχυνε σε καλούπια· τυχαία ανακάλυψε το κρατέρωμα (χαλκός + κασσίτερος). Η εποχή του σιδήρου αρχίζει γύρω στο 1400 π.Χ. και φθάνει ως το 500 μ.Χ. Η μεταλλουργία αναπτύσσεται από το 100 μ.Χ. (χρυσός, άργυρος, χαλκός, μόλυβδος, κασσίτερος, σίδηρος, υδράργυρος και κράματά τους)· το 1300 μ.Χ. η Αλχημεία συμβάλλει στη Χημεία· το μεγάλο άλμα γίνεται τον 19ο αιώνα με νέα μέταλλα, κράματα και μεθόδους παραγωγής, και η πρόοδος συνεχίζεται ως σήμερα με προϊόντα υψηλής τεχνολογίας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μεταλλικά (σιδηρούχα, μη σιδηρούχα) και μη μεταλλικά (συνθετικά, φυσικά)· κράμα = ανάμειξη σε τήξη δύο ή περισσότερων στοιχείων με κύριο συστατικό ένα μέταλλο· λίθινη εποχή → χαλκός/κρατέρωμα → σίδηρος → μεταλλουργία, Αλχημεία, 19ος αιώνας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: διάκριση μεταλλικών/μη μεταλλικών, ορισμός κράματος με το κύριο συστατικό, χρονολογική σειρά των εποχών.

Ιδιότητες, σκληρομέτρηση ΚΑΙ σκλήρυνση

Ερώτηση: 4. Αναφέρετε τις ομάδες ιδιοτήτων των μηχανουργικών υλικών και τις ιδιότητες κάθε ομάδας. 5. Ποιες μεθόδους σκληρομέτρησης γνωρίζετε και τι επιδιώκουμε μ’ αυτές; 6. Τι καλείται σκλήρυνση των υλικών και πώς επιτυγχάνεται η σκλήρυνση του χάλυβα;

Απάντηση:

• 4. Φυσικές ιδιότητες: στερεά κατάσταση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (εκτός από τον υδράργυρο), μεταλλική λάμψη, αδιαφάνεια, συνήθως αργυρόφαιο χρώμα, σχετικά υψηλό ειδικό βάρος, υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Χημικές: αντοχή στην οξείδωση και στη διάβρωση, τοξικότητα, ηλεκτροθετικότητα-ηλεκτραρνητικότητα, ενεργοποίηση-παθητικότητα. Μηχανικές: ελαστικότητα, πλαστικότητα, σκληρότητα, ελατότητα, ολκιμότητα, δυσθραυστότητα, αντοχή. Τεχνολογικές: χυτευτικότητα, σφυρηλατικότητα, συγκολλητικότητα, κατεργασιμότητα.
• 5. Μέθοδοι σκληρομέτρησης: Brinell (βαμμένη χαλύβδινη σφαίρα πιέζεται κάθετα στο δοκίμιο· \( HB = P/F \) σε N/mm²· κυρίως για μαλακά υλικά), Vickers (αδαμάντινη πυραμίδα τετράγωνης βάσης· μετράμε τη διαγώνιο της κοιλότητας με μικροσκόπιο· κυρίως για σκληρά υλικά), Rockwell (γρήγορες μετρήσεις, απευθείας ανάγνωση της ένδειξης). Επιδιώκουμε να εξακριβώσουμε τον βαθμό σκληρότητας του υλικού, δηλαδή την ικανότητά του να αντέχει στη φθορά και στη διείσδυση άλλων υλικών.
• 6. Σκλήρυνση (βαφή): η θερμική επεξεργασία στην οποία υποβάλλονται στοιχεία μηχανών, εργαλεία και μεταλλικά υλικά για να αυξηθεί ο βαθμός σκληρότητάς τους. Στον χάλυβα επιτυγχάνεται σε δύο στάδια: 1) ομοιόμορφη θέρμανση στη θερμοκρασία σκλήρυνσης (εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα· μετριέται με πυρόμετρα) και 2) απότομη απόψυξη (σε νερό 20-40 °C, ορυκτέλαιο ή αέρα).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Φυσικές, χημικές, μηχανικές, τεχνολογικές ιδιότητες· Brinell, Vickers, Rockwell για τον βαθμό σκληρότητας· σκλήρυνση = θέρμανση στη θερμοκρασία σκλήρυνσης και απότομη απόψυξη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: και οι τέσσερις ομάδες με τις ιδιότητές τους, οι τρεις μέθοδοι σκληρομέτρησης και τα δύο στάδια της σκλήρυνσης.

Επεξεργασία σιδήρου, χάλυβες ΚΑΙ πλαστικά

Ερώτηση: 7. Τι γνωρίζετε για τη μηχανική και τη βιομηχανική επεξεργασία του σιδηρομεταλλεύματος; 8. Ποια είναι τα είδη χαλύβων που γνωρίζετε; 9. Ποια είναι τα κύρια μη σιδηρούχα μέταλλα και κράματα που γνωρίζετε; 10. Τι γνωρίζετε για τα συνθετικά υλικά; Ποια είναι τα βασικότερα πλαστικά που χρησιμοποιούνται στο μηχανουργείο;

Απάντηση:

• 7. Μηχανική προεργασία: κοσκίνισμα, μαγνητικός διαχωρισμός, λειοτρίβηση (κονιοποίηση) και εμπλουτισμός (με υδρομηχανικό διαχωρισμό ή με επίπλευση). Βιομηχανική (μεταλλουργική) επεξεργασία σε δύο φάσεις: 1) παραγωγή χυτοσιδήρου από το μετάλλευμα (στην υψικάμινο αναγωγής ή με τη μέθοδο Krupp-Renn για φτωχά μεταλλεύματα· πρώτες ύλες: σιδηρομετάλλευμα, άνθρακας, συλλιπάσματα, αέρας)· 2) επεξεργασία του χυτοσιδήρου για την παραγωγή σφυρήλατου σιδήρου και χάλυβα.
• 8. Είδη χαλύβων: ανθρακούχοι (άνθρακας 0,1-1,7%): μαλακοί (0,1-0,30%), μέσης περιεκτικότητας (0,30-0,60%), υψηλής περιεκτικότητας (0,60-0,80%) και χάλυβες εργαλείων (0,80-1,50%)· ειδικοί χάλυβες, που περιέχουν και νικέλιο, μολυβδένιο, χρώμιο, μαγγάνιο, βολφράμιο κ.ά. (νικελιούχοι, χρωμιονικελιούχοι, βολφραμιούχοι κ.λπ.). Παράγονται με τις μεθόδους Bessemer, Siemens-Martin και την ηλεκτρική μέθοδο.
• 9. Μη σιδηρούχα: αλουμίνιο (ελαφρύ, αγώγιμο, ανθεκτικό στη διάβρωση· χρησιμοποιείται ως κράμα), χαλκός και τα κράματά του — ορείχαλκοι (χαλκός + ψευδάργυρος έως 70%) και μπρούντζοι/κρατερώματα (χαλκός + κασσίτερος)· κασσίτερος (επικασσιτέρωση, κράματα χαλκού)· επίσης ψευδάργυρος και μόλυβδος.
• 10. Συνθετικά υλικά (πλαστικά ή πολυμερή): τεχνητές ύλες με προκαθορισμένες ιδιότητες. Πλεονεκτήματα: χαμηλή πυκνότητα, αντοχή σε χημικές ουσίες, ηλεκτρική και θερμική μόνωση, εύκολη κατεργασία, χρωματισμός, λεία επιφάνεια, χαμηλό κόστος. Μειονεκτήματα: μικρή αντοχή στη θερμότητα και στις μηχανικές καταπονήσεις, υψηλός συντελεστής διαστολής, ράγισμα στο κρύο, χαμηλή σκληρότητα, στατική φόρτιση. Διακρίνονται σε θερμοπλαστικά, ντουροπλαστικά και ελαστομερή. Βασικότερα στο μηχανουργείο: PVC (πολυβινυλοχλωρίδιο), πολυστηρόλιο (PS), ακρυλικό γυαλί (PMMA, πλεξιγκλάς), PTFE (τεφλόν).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κοσκίνισμα, μαγνητικός διαχωρισμός, λειοτρίβηση, εμπλουτισμός → υψικάμινος (χυτοσίδηρος) → σφυρήλατος σίδηρος και χάλυβας· ανθρακούχοι (μαλακοί, μέσης, υψηλής, εργαλείων) και ειδικοί χάλυβες· αλουμίνιο, χαλκός, ορείχαλκοι, μπρούντζοι, κασσίτερος· θερμοπλαστικά/ντουροπλαστικά/ελαστομερή, PVC, PS, PMMA, PTFE.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: οι δύο φάσεις επεξεργασίας, οι κατηγορίες χαλύβων με τα ποσοστά άνθρακα, τα κράματα του χαλκού με τη σύστασή τους και τα πλαστικά που αναφέρει το βιβλίο.

Λαμαρίνες, ράβδοι, μορφοδοκοί ΚΑΙ σωλήνες

Ερώτηση: 11. Ποια είναι η διαδικασία παραγωγής χαλυβδοελασμάτων; 12. Πώς διακρίνονται οι λαμαρίνες, ανάλογα με την ποιότητά τους; 13. Πώς παραγγέλνουμε στο εμπόριο λαμαρίνες-ράβδους-βέργες-μορφοδοκούς; 14. Πώς κατασκευάζονται οι συγκολλητοί σωλήνες;

Απάντηση:

• 11. Παραγωγή χαλυβδοελασμάτων: ο χάλυβας παράγεται από λευκό πρωτογενή χυτοσίδηρο (μέθοδοι Μπέσσεμερ, Ζήμενς-Μαρτέν, ηλεκτρική κάμινος) και εξευγενίζεται· σε υγρή μορφή, σε καλούπια ή σε συνεχή ροή, γίνεται ημικατεργασμένα προϊόντα (μπλοκ). Στο ελασματουργείο τα μπλοκ περνούν από έλαστρα και παίρνουν μορφή πλάκας ή κυλίνδρου (έλαση εν θερμώ)· έτσι προκύπτουν χαλυβδοελάσματα (λαμαρίνες) και χαλυβδοταινίες.
• 12. Κατά την ποιότητα: 1) μαύρες (οξείδια από την έλαση)· 2) γυαλισμένες (ντεκαπέ) με καθαρισμένη επιφάνεια· 3) γαλβανισμένες (επικάλυψη με ψευδάργυρο)· 4) επικασσιτερωμένες (λευκοσίδηρος ή τενεκές)· 5) επιμολυβδωμένες (προστασία από οξείδωση). (Κατά το πάχος: λεπτές κάτω από 3 mm, μέσες 3-5 mm, χονδρές 5 mm και άνω.)
• 13. Παραγγελία: δίνουμε σύμβολο μορφής, διαστάσεις σε mm, φύλλο τυποποίησης DIN και συμβολισμό χάλυβα. Λαμαρίνα: Έλασμα - Πάχος x Πλάτος x Μήκος - DIN - χάλυβας, π.χ. ΒΙ 4x1500x3000 DIN 1543 St 34. Τετράγωνη ράβδος πλευράς 20 mm, μήκους 5000 mm: □ 20x5000 DIN 1014 St 37. Ταινία (λάμα) 50x8 mm, μήκους 5000 mm: ▭ 50x8x5000 DIN 1017 St 37. Μορφοδοκός διπλού ταυ ύψους 400 mm, μήκους 4000 mm: I 400x4000 DIN 1025 St 42. Ισοσκελής γωνία 90x9 mm, μήκους 4000 mm: L 90x90x9x4000 DIN 1028 και ο χάλυβας.
• 14. Συγκολλητοί σωλήνες (μεσαίας και μικρής διαμέτρου): κατασκευάζονται από χαλυβδοταινία, που περνά από πολλά έλαστρα και μορφοποιείται σε σωλήνα με σχισμή κατά μήκος· στη συνέχεια συγκολλούνται τα χείλη της σχισμής με επαγωγικά ρεύματα υψηλής συχνότητας ή με συγκόλληση υπό πίεση, αφού προθερμανθούν τα χείλη με ηλεκτρικό ρεύμα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Έλαση εν θερμώ των μπλοκ στο ελασματουργείο· μαύρες, ντεκαπέ, γαλβανισμένες, επικασσιτερωμένες, επιμολυβδωμένες· συμβολισμός μορφή-διαστάσεις-DIN-χάλυβας· χαλυβδοταινία → έλαστρα → συγκόλληση της σχισμής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: σωστή σειρά στοιχείων στον συμβολισμό παραγγελίας και οι πέντε ποιότητες λαμαρίνας.
• Σημείωση: στο παράδειγμα της γωνίας το βιβλίο γράφει στο κείμενο χάλυβα St 42, ενώ στο σύμβολο δίνει St 37.