You are currently viewing Metale i ich stopy – wprowadzenie
Tech for arts: Metale i ich stopy

Metale i ich stopy – wprowadzenie

  • Post comments:0 Komentarzy
  • Reading time:10 mins read

Metale i ich stopy wśród materiałów konstrukcyjnych zajmują szczególne miejsce w wytwórstwie artystycznym. Żaden inny surowiec nie może się poszczycić tak szerokim powinowactwem ze sztuką. Jest to baza samych dzieł oraz materiał na ich narzędzia wytwórcze.

Wprowadzenie

Występujące na Ziemi pierwiastki są dzielone na metale oraz niemetale. Do interesującej nas pierwszej grupy zalicza się ponad 70 pierwiastków, które cechują się wyjątkowymi właściwościami, takimi jak:

  • Metaliczny połysk;
  • Dobra plastyczność;
  • Nieprzezroczystość i zdolność odbijania światła;
  • Dobra przewodność cieplna oraz elektryczna.

Wiele starożytnych dzieł sztuki, które istnieją do dzisiaj, jest wykonana właśnie z metali i ich stopów. Te materiały były, są i będą jedną z podstawowych grup surowców do tworzenia trwałych (a może i wiecznych) tworów artystycznych. Dlatego też wiedza na ich temat jest bardzo istotna dla twórców. Pokuszę się nawet o stwierdzenie, że dla wszystkich artystów i to niezależnie czy są odlewnikami, ślusarzami lub kowalami. Jest to związane z niezaprzeczalnym wpływem metali (nawet w małym stopniu) na każdą dziedzinę wytwórstwa.

Metale i ich stopy – pojęcia podstawowe

Wydawać by się mogło, że metale to jednorodne materiały, szczególnie po szlifowaniu oraz polerowaniu. Jednakże gdybyśmy przyjrzeli się ich strukturze pod mikroskopem (po uprzednim trawieniu) lub wykonali ich przełom, przekonalibyśmy się, że jest to tylko pozorne. W rzeczywistości są to materiały niejednorodne, złożone z wielu mikroskopijnych kryształów.

Właściwości metali i ich stopów zależą od ich budowy wewnętrznej. W stanie stałym atomy metali (które mają zdolność tworzenia wiązań metalicznych) tworzą sieci przestrzenne zwane komórkami strukturalnymi. To właśnie dzięki kształtom komórek zależy wiele cech metali i ich stopów, a szczególnie właściwości mechaniczne (np. twardość, wytrzymałość na rozciąganie). Jednakże poza budową krystaliczną najistotniejszy jest sam skład chemiczny. Nauka przyjmuje różne klasyfikacje metali technicznych ze względu na bazowe pierwiastki (pierwiastki metaliczne, których jest najwięcej), jak np.:

  • Lekkie (o gęstości poniżej 5 g/cm3);
  • Ciężkie (o gęstości powyżej 5 g/cm3);
  • Niskotopliwe (przechodzące w stan ciekły przed osiągnięciem temperatury 600°C);
  • Wysokotopliwe (przechodzące w stan ciekły dopiero po osiągnięciu temperatury 1600°C).

Szczegółowy podział przedstawiłem w poniższej tabeli.

Czy wiesz , że...

Większość metali i ich stopów w temperaturze pokojowej (ok 25°C) znajduje się w stałym stanie skupienia. Wyjątkiem są rtęć, cez i gal. Metale te w warunkach termicznych, komfortowych dla większości ludzi i zwierząt (20 – 30°C), występują w ciekłym stanie skupienia.

Tab.1. Podział metali ze względu na różne kategorie

Do tej pory cały czas wskazuję na metale i ich stopy, ale czym jest to drugie pojęcie? Są to tworzywa zawierające tzw. metal bazowy oraz dodatkowe pierwiastki nazywane stopowymi. Ich wprowadzenie doprowadza do zmian właściwości podstawowego składnika. Stopy mają lepsze właściwości wytrzymałościowe niż czyste metale. Przypłacają to zazwyczaj pogorszeniem plastyczności, przewodnictwa cieplnego i elektrycznego oraz czasami spadkiem odporności korozyjnej. Najlepszym tego przykładem jest czyste żelazo i stal (stop żelaza z węglem). Żelazo nieporównywalnie wolniej ulega korozji niż stal i jest o wiele bardziej plastyczne. Stal natomiast jest o wiele wytrzymalsza mechanicznie.

Jak powstają stopy? Tworzy się je najczęściej poprzez stapianie ze sobą wszystkich substratów w stanie ciekłym. Technika ta była już stosowana od początku wykorzystywania metali przez człowieka. Jednakże, przez tysiąclecia konkretny skład oraz sposób stapiania ze sobą składników różnych stopów w wielu przypadkach stanowił tajemnicę rzemieślników. Często wyższą niż życie ludzkie. Obecnie większość poznanych przez człowieka stopów jest ogólnie znana pod względem składu. Ponadto rozwój technologii metalurgicznej oraz zdjęcie z niej okowów tajemnicy, doprowadziło do opracowania nowych metod wytwórstwa stopów. Dziś do ich produkcji stosuje się także elektrolizę, dyfuzję w stanie stałym, kondensację par metali oraz spiekanie proszków metali.

Pod względem merytorycznym musisz wiedzieć, że wszystkie stopy powstałe na bazie żelaza nazywa się stopami żelaznymi, na bazie innych metali stopami nieżelaznymi.

Czy wiesz , że...

Uzyskanie czystych metali (bez dodatku innych pierwiastków) jest wyjątkowo trudne. Najlepszym tego przykładem jest żelazo, które przy obecnej technologii bardzo ciężko otrzymać bez promila zawartości węgla lub siarki. Dlatego też sformułowania, że jakieś dzieło zostało wykonane z żelaza, nie do końca jest prawidłowe. Zazwyczaj jest to stal lub staliwo o bardzo małej zawartości innych pierwiastków niż Fe.

Biorąc powyższe pod uwagę, wielu naukowcom sen spędza z powiek żelazna kolumna w Delhi. Monolit znajdujący się przed meczetem Quwwat-ul-Islam (w kompleksie Qutb) jest wykonany z 99,72% żelaza i 0,28% domieszek fosforu oraz miedzi. Ustawiona w V wieku kolumna, pod kątem wytworzenia pozostaje źródłem wielu domysłów. Jednym z nich jest teza, iż powstała poprzez przetworzenie dużego kawałka żelaza meteorytowego.

Metale i ich stopy w odróżnieniu od innych materiałów konstrukcyjnych można dowolnie obrabiać i „programować”. Pierwsze pojęcie wskazuje możliwość zastosowania dosłownie każdej techniki obróbczej. Dlatego też studenci inżynierii materiałów właśnie poprzez pryzmat metali (szczególnie stopów żelaza) poznają różne techniki wytwórcze. Co się tyczy „programowania”, to rozumiem przez nie celową zmianę ich właściwości (nawet bez zmiany kształtu), co w przypadku np. ceramiki i polimerów jest możliwe tylko w nieznacznym stopniu. By lepiej to zobrazować, posłużę się następującym przykładem:

Poprzez intensywne młotkowanie płaskownika stalowego wewnątrz jego struktury dochodzi do rozdrobnienia kryształów (ziarn). Proces ten doprowadza do umocnienia materiału (poprzez nadmierny zgniot) – zwiększa się jego twardość i kruchość, a tym samym maleje plastyczność. Jeśli natomiast element ten zostanie po tej operacji odpowiednio ogrzany (obrobiony cieplnie) to może z powrotem stać się bardziej plastyczny, a jego twardość zmaleć.

Rys.1. Przykład młotkowanej powierzchni metalu (złote obrączki)

Pisząc o „programowaniu”, muszę wspomnieć Ci o tzw. inteligentnych stopach. Są to specjalne stopy, które poprzez oddziaływanie nań różnymi czynnikami (np. podwyższoną temperaturą, polem magnetycznym, przepływem prądu) zmieniają swój kształt. Skojarzenie z filmem „Terminator” (głównie modelem T-1000) jest tym przypadku trochę za bardzo górnolotne, ale w sumie prawidłowe pod kątem idei. Dobrym przykładem stopu, który może zmienić swój kształt pod wpływem czynnika zewnętrznego (w tym przypadku temperatury) jest nitinol – stop niklu z tytanem.

Czy wiesz , że...

Doris Kim Sung zaprojektowała metalową rzeźbę reagującą na ciepło – otwiera się i zamyka w zależności od warunków otoczenia. To niezwykłe dzieło mierzące około 6 metrów znajduje się w galerii „Materials & Applications” w Los Angeles. Zostało wykonane z dwóch arkuszy termobimetalu (najczęściej stosowanego do tworzenia cewek w termostatach), które zwijają się wraz ze wzrostem temperatury i spłaszczając, gdy się ochładza.

Właściwości metali i ich stopów istotne dla twórców

Metale i ich stopy mają wiele właściwości (często unikalnych). Jednakże pod względem wykorzystania ich w wytwórstwie artystycznym za najważniejsze dla wytwórców należy uznać:

  • Właściwości fizyczne:
    • barwa i połysk,
    • gęstość,
    • temperatura topnienia;
  • Właściwości mechaniczne:
    • wytrzymałość,
    • sprężystość,
    • plastyczność,
    • twardość,
    • odporność (wytrzymałość) zmęczeniowa;
  • Właściwości technologiczne:
    • lejność,
    • wielkość skurczu odlewniczego,
    • kowalność,
    • spawalność,
    • spiekalność,
    • skrawalność;
  • Właściwości chemiczne:
    • rozpuszczalność,
    • skłonność do utleniania,
    • tendencja do korozji.

Tab.2. Barwy wybranych metali i ich stopów

Tab.3. Gęstość (stosunek masy do objętości) wybranych metali i ich stopów

Tab.4. Temperatura topnienia wybranych metali i ich stopów

Tab.5. Tardość wybranych metali i ich stopów

Rzemieślnicy, niezależnie od profesji korzystają (lub korzystali) najczęściej ze stopów metali takich jak:

  • Żelazo;
  • Aluminium;
  • Magnez;
  • Miedź;
  • Nikiel;
  • Ołów;
  • Rtęć (amalgamaty).

Zarys historyczny wytwórstwa przy użyciu metali i ich stopów

Wielu uczonych wskazuje, że pierwszymi metalami wykorzystywanymi przez ludzkość są metale złoto oraz srebro. Te rzadkie, odporne na środowisko metale, zainteresowały naszych przodków swoją wyjątkową plastycznością i wytrzymałością w stosunku do ceramiki, minerałów, drewna czy skór. Są dowody na to, że już 6 000 lat p.n.e. metale te były używane przez ludzi, głównie, jako materiały do wytwarzania tworów artystycznych. Nasi przodkowie eksperymentowali także procesami stapiania ze sobą tych metali, dzięki czemu powstał elektron – stop złota ze srebrem.

Czy wiesz , że...

Złoto jest najbardziej kowalnym z metali. To oznacza, że można go przerobić plastycznie na bardzo cienką blachę (cieńszą od włosa) bez rozerwania jego struktury. Mając jedną uncję złota (31,3 grama) można przekuć ją na arkusz zajmujący 100 metrów kwadratowych.

Nie były to jednak jedyne metale znane w starożytności. Poza złotem i srebrem znano również:

  • Antymon;
  • Cynę;
  • Miedź;
  • Ołów;
  • Rtęć;
  • Żelazo.

Przegląd historyczny metali zawarto w poniższej tabeli.

Tab.6. Przegląd historyczny najważniejszych wydarzeń dotyczących metali i ich stopów

Kilka słów na zakończenie

Bez metali i ich stopów nie byłoby dzisiejszego świata, który znamy. Mam tu na myśli także wytwórstwo artystyczne. Pomijając zastosowanie tych materiałów, jako budulec dzieł, niemożliwe byłoby stworzenie odpowiednich narzędzi, dzięki którym powstają wszelkie obrazy czy współczesne produkcje cyfrowe. Musisz pamiętać, iż każdy metal to cenny surowiec o mnogości zastosowań technicznych oraz artystycznych. W dodatku jak każdy surowiec występuje w ograniczonych ilościach. Zatem poznanie właściwości różnych metali i ich stopów pozwoli Ci lepiej je spożytkować, a także opracować metody ich upcyclingu. Wiedzy z tej dziedziny jest wiele i często ciężko znaleźć źródła, które w jasny i prosty sposób zaznajomią Ci z potrzebnymi Ci informacjami. Spokojnie, na łamach „Tech for arts” będę publikował artykuły, w których oddzielę dla Ciebie przysłowiowe „ziarna od plew”.

Jak widzisz metale i ich stopy to szeroki temat o bogatej historii oraz dużym potencjale na przyszłość. To, co Ci przedstawiłem w tym artykule jest zaledwie bardzo okrojonym wstępem do tej dziedziny wiedzy. Jednakże myślę, iż to wystarczające wprowadzenie byśmy mogli wejść na ścieżkę poznawania konkretnych metali i ich stopów oraz rzemiosł je wykorzystujących. Jeśli jednak myślisz, że to nie wystarczy, napisz o tym w komentarzu – rozbuduje artykuł.

Do stworzenia tego artykułu skorzystano z:

  • Czermińki J. i inni: „Encyklopedia Techniki: Metalurgia”, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1978 r.
  • Florow A. W.: „Artystyczna obróbka metali”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1989 r.
  • Hucińska J. i inni: „Metaloznawstwo”, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1995 r.
  • Młody Technik: „Stopy metali”, www.mlodytechnik.pl (o2.2o22 r.)

Dodaj komentarz