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Der Aufstieg der Metallurgie und ein Blick auf die Materialverbindungstechnologie

Der Aufstieg der Metallurgie und ein Blick auf die Materialverbindungstechnologie


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Die Metallurgie ist eine der wichtigsten Wissenschaften der modernen Technik. Insbesondere ist es die Wissenschaft, Metalle aus den Erzen zu extrahieren, in denen sich die Metalle befinden, und das Metall dann so zu modifizieren, dass es nützlicher ist.

Sie können sich die Wissenschaft der Metallurgie als eine Kombination aus Physik, Chemie und ein bisschen Technik vorstellen.

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Um diesen Bereich der Wissenschaft und seine Entstehung zu verstehen, werfen wir einen Blick auf die Geschichte der Metallurgie.

Die Geschichte

Die moderne Verwendung von Metallen war nicht einfach. Unsere moderne Fähigkeit, so genau mit Metallen zu arbeiten, ist das Ergebnis einer fast 7.000-jährigen Entwicklungsarbeit.

Die ersten entdeckten Metalle waren Gold, Silber und Kupfer, die alle in ihrem natürlichen metallischen Zustand vorliegen. Dies bedeutet, dass alte Kulturen in der Lage gewesen wären, diese Metalle zu finden und mit sehr geringen Modifikationen damit zu arbeiten.

Gold kann speziell durch kaltes Hämmern mit anderen Stücken zu einem größeren Stück kombiniert werden. Dies machte Gold zu einem ziemlich leicht zu bearbeitenden Metall. Während des Metallzeitalters entdeckten Zivilisationen, dass Kupfer um das 4. Jahrtausend v. Chr. Geschmolzen und in Formen gegossen werden konnte.

In dieser Zeit haben wir begonnen, Kupferäxte in den Vordergrund zu rücken.

Die Metallbearbeitung wurde nun zu einem Prozess, der über das Kalthämmern, das Gießen und Schmieden hinausging. Nach dieser Entdeckung von Erhitzungsmetallen wurde festgestellt, dass einige Metalle aus Mineralien gewonnen werden konnten.

Diese Entdeckung von nichtmetallischem Metall, das in Mineralien lauert, würde langsam zur Entdeckung des Schmelzprozesses führen, bei dem Kupfer auf Temperaturen über als erhitzt wird 700° C.. Dieser Prozess war auch das erste Mal, dass alte Zivilisationen neue Mineralien und Elemente in den Metallurgieprozess einführten, um das Metall zu reinigen und seinen Prozess zu ändern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es am besten ist, die Geschichte der Metallurgie als einen sich entwickelnden Prozess zu betrachten. Zunächst wurden metallische Metalle entdeckt, die ohne Wärme zusammenarbeiten konnten. Als nächstes wurde entdeckt, dass Metalle durch einen Schmelz- und Härtungsprozess gegossen werden konnten.

Dann erkannten die Zivilisationen, dass Metalle aus Mineralien gewonnen werden konnten - der letzte Schritt war die Entdeckung von Metalladditiven oder -legierungen. Dies führt uns zu einem Blick in die Geschichte einer der ersten Legierungen: Bronze.

Bronze

Bronze scheint erstmals als Kupferlegierung um 3000 bis 2500 v. Chr. Entdeckt worden zu sein. Das Metall ist eine Kupferlegierung mit etwa 12 Prozent Zinn. Bronze war eine der ersten Legierungen, die jemals entdeckt wurden, als Zivilisationen begannen, mit Mischelementen in metallurgischen Prozessen zu experimentieren.

Zinn war die wichtigste Entdeckung, die zur Bildung von Bronze als bearbeitbares Metall führte. Es wird angenommen, dass dieses Metall zunächst an kleinen Orten hergestellt wurde, aber das Wissen darüber verbreitete sich schließlich aufgrund des Handels im gesamten Nahen Osten und in Europa.

Als das Wachstum und die Dominanz von Bronze während der Bronzezeit anhielten, wurde schließlich Eisen entdeckt, was zu einem neuen Zeitalter führte: der Eisenzeit.

Eisenzeit

Es gibt nicht wirklich einen konkreten Wendepunkt zwischen der Bronze- und der Eisenzeit, sondern einen allmählichen Übergang. Eines der frühesten jemals entdeckten Eisenstücke wurde in den Niederlanden gefunden und stammt aus dem Jahr 1350 v. Traditionell wurde dieser Zeitraum als die Mitte der Bronzezeit angesehen, so dass es den Anschein hat, dass beide Metalle für einige Zeit zusammen hergestellt wurden.

Eisen erreichte tatsächlich um 1000 v. Chr. Die Dominanz. wie es damals zu großformatigen Waffen verarbeitet wurde. Dieser Übergang begann wahrscheinlich um 1200 v. - normalerweise die Zeit, die als Beginn der Eisenzeit markiert ist.

Frühe Zivilisationen entwickelten einen Prozess zum Schmelzen von Eisenoxid mit Holzkohle. Zu dieser Zeit konnten Metallarbeiter jedoch nicht die hohen Temperaturen von erreichen1.540 ° C. das war nötig, um die Elemente vollständig zusammenzuschmelzen. Dieser Prozess erzeugte eine schwammige Metallmasse, die mit einer flüssigkeitsähnlichen Schlacke gemischt war. Metallarbeiter wiederholten den Schmelzprozess bei niedrigen Temperaturen immer wieder, bis Schmiedeeisen entstand, ein besser verarbeitbares Eisenprodukt. Die interessante Bemerkung (als Archäologen die Eisenzeit untersuchten) war genau zu bestimmen, wann der Prozess der Zugabe von Kohlenstoff zur Stärkung von Eisen begann.

Da frühe Metallurgietechniken niedrige Temperaturen beinhalteten, war das Ergebnis des Verbrennens des Eisens mit Holzkohle reines Eisen. Als sich die Öfen der Zeit verbesserten und die Temperaturen anstiegen, wurde - unbeabsichtigt - mehr Kohlenstoff vom Eisen absorbiert. Dieses Ergebnis war nicht konsistent, so dass ein Großteil des Eisens zu diesem Zeitpunkt eine große Vielfalt an Kohlenstoff enthielt.

Raffinieren von Metallen

Mit der Verfeinerung der Eisenarbeiten wurde auch das Wissen über die Wirkung von Kohlenstoff auf Eisen verfeinert. Mit Kohlenstoff infundiertes Eisen könnte durch Abschrecken des Metalls erschwert werden.

Während der frühen Eisenzeit gibt es jedoch kaum Hinweise darauf, dass dieser Prozess durchgeführt wurde, da das Eisen sowohl abgeschreckt als auch getempert werden musste, um die erhöhte Festigkeit auszunutzen.

Anstatt zu löschen und zu temperieren, haben Archäologen gesehen, dass Metallarbeiter aus der Eisenzeit einen Prozess des Kaltschmiedens übernommen haben, um das Metall zu stärken.

Ab der Eisenzeit gab es eine bedeutende Entwicklung in der Art und Weise, wie Metalle raffiniert und geschmiedet wurden, die bis in die Neuzeit andauerte.

In diesem Video erfahren Sie mehr über verschiedene metallurgische Prozesse:

Nachdem wir uns nun mit dem Aufstieg der Metallurgie befasst haben, werfen wir einen Blick auf einige Materialverbindungstechniken, die mit modernen Metallen verwendet werden, insbesondere im Bereich des Schweißens.

Schweißen

Schweißen ist ein sehr weit gefasster Begriff, der Hunderte, wenn nicht Tausende spezifischer Materialverbindungsprozesse abdeckt. Selbst wenn Sie kein Schweißer von Beruf oder Ingenieur für Materialverbindungen sind, ist es entscheidend, zu verstehen, wie verschiedene Materialien verbunden werden können, um in Ihrem Ingenieurberuf herausragende Leistungen zu erbringen.

Um unser Verständnis von Schweißprozessen zu beginnen, lassen Sie mich eine Reihe von Akronymen und Begriffen wegwerfen, damit wir etwas später auf bestimmte Prozesse eingehen können.

Die Hauptschweißverfahren sind Schutzgasschweißen (SMAW), Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW / WIG), Gasmetall-Lichtbogenschweißen (GMAW / MIG), Flussmittel-Lichtbogenschweißen (FCAW), Unterpulverschweißen (SAW) und Elektroschlacke Schweißen (ESW) und zuletzt Widerstandsschweißen.

Hast du das alles bekommen?

Dies sind nur die grundlegenden Schweißmethoden, und es gibt viele verschiedene Variationen von jeder, zusammen mit Techniken, die unter Verwendung von Reibung, Lasern oder sogar Elektronenstrahlen schweißen.

Jedes Verfahren ist speziell für verschiedene Metalle konzipiert, und es gibt sogar Verfahren, mit denen unterschiedliche Metalle geschweißt werden können. Es gibt keine Möglichkeit, einen umfassenden Überblick über alle Schweißprozesse in diesem Blog-Beitrag zu geben, aber wir können wahrscheinlich genug behandeln, damit Sie ein Gespräch über das Schweißen führen können, wenn Sie sich jemals in einem dieser Prozesse befinden.

Alle Schweißprozesse induzieren eine Verschmelzung durch eine Energiequelle; Mit anderen Worten, das Grundmetall wird auf irgendeine Weise geschmolzen. Prozesse wie SMAW verwenden eine Elektrode, die sowohl das Schmelzen auf dem Grundmetall induziert als auch als Füllmetall für die Verbindung fungiert. GTAW oder was Sie vielleicht unter dem Namen WIG-Schweißen kennen, verwendet eine Wolframelektrode und ein Inertgas (Helium), um das Grundmetall zu schweißen.

Was Sie feststellen werden, ist allen oben genannten Prozessen gemeinsam: Es wird eine Art Lichtbogen oder Elektrode verwendet, um die Fusionsreaktion auszulösen, daher das „A“ in allen Akronymen. Die einzige Ausnahme in der obigen Liste ist das Widerstandsschweißen, bei dem durch elektrischen Strom Wärme durch den Widerstand zweier überlappender Metalle erzeugt wird - einfach eine geringfügig andere Verwendung von Elektrizität zum Schweißen.

Das Lichtbogenschweißen ist am häufigsten, aber es ist wichtig zu beachten, dass es auch Gasschweißen und Energiestrahlschweißen gibt. Diese Prozesse verwenden Gas- oder Energiestrahlen, um das Material zu erwärmen, anstatt Strom und Spannung. Gas- und Energiemethoden sind zwar Varianten, in der Grundmechanik jedoch recht einfach zu verstehen.

Jede unterschiedliche Lichtbogentechnik verwendet eine andere Elektrode und einen anderen Aufbau zum Aufbringen von Flussmittel auf die Schweißnaht. Flussmittel ist ein Reinigungsmittel, das beim Schweißen von Verbindungsmaterialien hilft und eine gleichmäßige Struktur beibehält, wodurch die Festigkeit erhöht wird.

Verschiedene Schweißtechniken

Bei den meisten Schweißtechniken können Sie anhand ihrer Namen etwas auf ihre Funktionsweise schließen. Wir sind doch Ingenieure, oder? Beim Lichtbogenschweißen mit Flussmittelkern wird ein Draht mit einem Flussmittelkern verwendet.

Im Gegensatz zu Ihrer Meinung ist das Unterpulverschweißen kein Unterwasserprozess. Es verwendet eine Verbrauchselektrode, um unter einer Flussmitteldecke zu schweißen, und taucht daher die Schweißnaht unter das Flussmittel, um sie vor der Atmosphäre zu schützen. Nachdem wir einige Hintergrundinformationen zu all den verschiedenen Schweißtechniken haben, können wir beginnen zu verstehen, wie verschiedene Metalle geschweißt werden.

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Anstatt Tonnen von Text zu schreiben, der zum Schweißen verschiedener Metalle verwendet wird, finden Sie hier eine Kurzanleitung, in der das Verbindungsmetall zusammen mit den folgenden Prozessen demonstriert wird:

Stahl: SMAW, MIG, FCAW, WIG (DC), Widerstand

Edelstahl: SMAW, MIG, FCAW, WIG (DC), Widerstand

Aluminium: SMAW, MIG, WIG (AC)

Gusseisen: SMAW

Kupfer / Messing: WIG (DC)

Magnesiumlegierung: WIG (AC)

Titan: WIG (DC)

Wie Sie wahrscheinlich bemerkt haben, können Metalle auf Eisenbasis mit verschiedenen Techniken geschweißt werden, aber andere Metalle mit weniger kompatiblen Zellstrukturen erfordern spezielle Schweißtechniken. Der Grund für die breite Palette von Stahltechniken und andere metallspezifische Techniken liegt in der Zellstruktur, den Phasenänderungen, den Schmelzpunkten und vielen anderen Faktoren.

Wenn Sie zwei unterschiedliche Metalle verbinden möchten, z. B. Aluminium zu Stahl, müssen Schweißer in ihren Techniken kreativ werden. Die gebräuchlichste Methode zum Schweißen unterschiedlicher Metalle oder von Metallen, die nicht miteinander kompatibel sind, ist die Verwendung eines Füllmetalls, das mit beiden kompatibel ist. Bei Aluminium und Stahl kann Zink als Übergangsmetall verwendet oder spezielle Übergangseinsätze hergestellt werden.

Wenn Sie mehr über das Schweißen unterschiedlicher Metalle erfahren möchten, sind diese Verfahren auf dem neuesten Stand der Materialverbindungstechniken. In den Bereichen Reibrührschweißen, Laserschweißen und sogar Explosionsschweißen werden kontinuierlich bahnbrechende Forschungsarbeiten durchgeführt (Google it, Sie werden es nicht bereuen).

Schweißen ist sowohl eine unglaublich einfache Sache als auch ein Prozess voller endloser Komplexität und Wissenschaften. Unabhängig davon, ob Sie es täglich verwenden oder nicht, das Schweißen hat Aspekte fast aller technischen Disziplinen und kann sicherlich selbst die langweiligsten Ingenieure in seinen Bann ziehen.

"Das Erscheinen visueller Informationen des US-Verteidigungsministeriums impliziert oder stellt keine DOD-Bestätigung dar."


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