1. Co stopy metali mają wspólnego z muzyką?

*Słuchając koncertu organowego, warto zastanowić się, z czego zbudowane są najważniejsze elementy organów, czyli piszczałki. Najczęściej jest to stop cyny i ołowiu. Blacha do budowy piszczałek może mieć różną zawartość cyny, a procentowy udział tego pierwiastka w stopie określa tzw. próba cyny. Przyjmuje ona wartości od 1 do 16. Zawartość cyny w kolejnych próbach można wyliczyć, mnożąc 6,25% przez „numer” próby (próba 1 zawiera 6,25% cyny; próba 2 – 12,50% cyny, próba 3 – 18,75% cyny itd.). Próba 16 oznacza brak domieszki ołowiu, w skład takiego materiału wchodzi wyłącznie cyna (100%). Jest on używany jest bardzo rzadko i ma głównie walory zdobnicze. Im większa zawartość cyny, tym stop ma mniejszą gęstość i jest jaśniejszy. Natomiast im więcej ołowiu, tym gęstość stopu jest większa, a barwa – ciemniejsza.

Rs7U5fg2U9uGU1

Zdjęcie przedstawia kościelne organy pokazane od dołu, od ich podstawy, aż po szczyt ze sklepieniem kościoła w tle. Potężne, srebrne metalowe piszczały z otworami na mniej więcej jednej czwartej ich wysokości wznoszą się w górę otoczone innymi elementami konstrukcji wykonanymi z brązowego drewna.

W dolnej części piszczałek organów ścianki są często grubsze na dole niż na górze. Dzięki temu wytrzymują duży nacisk korpusu piszczałki na jej dolną część, co zapobiega jej deformacji (spłaszczeniu).
Czasem duże piszczałki są wykonywane z cynku – lżejszego i tańszego od ołowiu, jednak wydają wtedy dźwięki gorszej jakości oraz mają matową, pozbawioną połysku powierzchnię, gdyż cynk na powietrzu ulega pasywacji.
Instrumenty dęte blaszane, takie jak puzon czy trąbka, najczęściej są wykonane z mosiądzumosiądzmosiądzu, czyli stopu miedzi i cynku, rzadziej – z metali szlachetnych.
Flety altowe mogą być produkowane z tzw. złotego mosiądzu (z dużą zawartością miedzi), dzięki czemu są lżejsze od tradycyjnych instrumentów i mają optymalne brzmienie.

R172WgKxExpj01

Ilustracja składająca się z czterech zdjęć przedstawiających instrumenty wykonane z mosiądzu, ponumerowane od lewej strony. Numer 1 to puzon, numer 2 to trąbka, a numer 3 to saksofon. Numer 4 to flet altowy wykonany z mosiądzu złotego.

Ze stopów metali korzystają także producenci gitar, którzy ciągle poszukują nowych sposobów, aby struny tych instrumentów były trwalsze i miały coraz lepsze walory dźwiękowe. Większość obecnie wytwarzanych strun do gitar elektrycznych zrobiona jest ze stali niklowej, zapewniającej dobrą jakość dźwięku. Nowością ostatnich lat są struny ze stali nierdzewnej – bardzo mocne, wytrzymałe i twarde.

Ciekawostka

Dlaczego struny gitar są powlekane tworzywami sztucznymi?
Dawniej struny do gitar produkowano z przetworzonych jelit zwierząt, obecnie w gitarach klasycznych najczęściej stosuje się struny nylonowe, a w pozostałych typach – stalowe lub wykonane z brązubrązbrązu. Pokrywające struny podczas grania brud, pot i tłuszcz narażają je na korozję. Dlatego zabezpiecza się je przed zanieczyszczeniami, pokrywając powłokami z tworzyw sztucznych.

R1LY5CRyZVEiq1

Ilustracja przedstawia budowę struny gitarowej składająca się, licząc od lewej strony, z jednej grafiki komputerowej i dwóch zdjęć. Na grafice komputerowej przedstawiono budowę struny w przekroju: grubszy rdzeń stalowy owinięty bardzo cienkim drutem z brązu. Zdjęcie środkowe przedstawia w zbliżeniu prawdziwą strunę gitarową w ujęciu bocznym. Pomiędzy sąsiadującymi ze sobą paskami brązowego uzwojenia widać zanieczyszczenia z ludzkiego naskórka i brudu. Trzecie, ułożone z prawej strony zdjęcie przedstawia fragment struny w taki sam sposób, jak zdjęcie drugie, ale struna jest czysta i wydaje się gładsza, ponieważ naniesiono na nią powłokę zabezpieczającą z tworzywa sztucznego.

2. Co to są stopy metali?

Żelazo dzięki swoim właściwościom jest najbardziej użytecznym metalem. Jest głównym składnikiem powszechnie stosowanej stali, którą otrzymuje się z surówki (wytwarzanej w wielkim piecu z rudy żelaza) oraz uszlachetnia metalami: manganem, niklem lub chromem. Stop ten jest wykorzystywany w konstrukcji mostów, drapaczy chmur, statków, platform morskich, samochodów, pociągów, pokryć dachów czy w produkcji puszek do konserw. Do wytwarzania m.in. elementów konstrukcji samolotów bądź puszek do napojów używany jest inny stop – duraluminiumduraluminiumduraluminium.

R8hR9bV9fac5t1

Ilustracja przedstawia zdjęcie dwóch monet lub metali z brązu. Zamieszczony obok tekst głosi: nazwa stopu - brąz, średnie wartości składu stopu 85 procent miedzi, pięć procent cyny oraz cynk i ołów. Zastosowanie: do wytwarzania blach, prętów, drutów, rur oraz odlewania pomników, dzwonów, medali i przedmiotów użytkowych.

R1X82PXADsnSO1

Ilustracja przedstawia zdjęcie dwóch odważników. Zamieszczony obok tekst głosi: nazwa stopu - mosiądz, średnie wartości składu stopu 70 procent miedzi, 30 procent cynku. Zastosowanie: do wytwarzania armatury, śrub okrętowych, amunicji, okuć budowlanych, klamek, elementów maszyn, samochodów, okrętów. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych.

R12hLxBM5rGwa1

Ilustracja przedstawia zdjęcie garnka na płycie kuchennej. Zamieszczony obok tekst głosi: nazwa stopu - stal, średnie wartości składu stopu 70 procent żelaza, od dwóch do czterech procent węgla oraz chrom, nikiel i inne. Zastosowanie: do wytwarzania cystern mleczarskich i narzędzi chirurgicznych, sztućców, naczyń i garnków, okuć żeglarskich, części silników w samolotach i rakietach, wind, klimatyzatorów, pieców żaroodpornych i balustrad.

R1OVbTCtyAgQ81

Ilustracja przedstawia zdjęcie kominka. Zamieszczony obok tekst głosi: nazwa stopu - żeliwo, średnie wartości składu stopu 96 procent żelaza, cztery procent węgla. Zastosowanie: do wytwarzania schodów, balkonów, ogrodzeń, kominków, grzejników, lamp, mebli ogrodowych.

R12susiAmHvcH1

Ilustracja przedstawia zdjęcie odłamków stopu lutowniczego w probówce. Zamieszczony obok tekst głosi: nazwa stopu - stop Wooda, średnie wartości składu stopu 50 procent bizmutu, 25 procent ołowiu oraz cyna i kadm. Zastosowanie: w jubilerstwie do lutowania w bezpiecznikach przeciwpożarowych jako element topikowy, którego stopienie przerywa obwód elektryczny i uruchamia alarm, jako materiał osłon zabezpieczających przed promieniowaniem rentgenowskim.

RiiNF391Hmb321

Ilustracja przedstawia zdjęcie lecącego pasażerskiego samolotu odrzutowego. Zamieszczony obok tekst głosi: nazwa stopu - duraluminium, średnie wartości składu stopu 96 procent glinu oraz miedź, magnez, krzem lub żelazo. Zastosowanie: do wytwarzania elementów konstrukcji rowerów, samochodów, samolotów i statków kosmicznych, puszek do napojów.

Ciekawostka

Stop w kolorze rdzy
Stop ten otrzymano po raz pierwszy w Stanach Zjednoczonych w czasie wielkiego kryzysu (1929–1933). Jest to materiał ceniony ze względu na szczególne właściwości, dzięki którym nie wymaga częstej konserwacji. Corten (czyt. korten), czyli gatunek stali, został opatentowany w 1933 roku. Nazwa materiału powstała z określenia jego właściwości corrosion resistant (czyt. korożion resistant), co oznacza „odporny na korozję”, i high tensile strength (czyt. haj tensajl strent), czyli „wytrzymały na rozciąganie”. Do jego produkcji użyto m.in.: chromu, miedzi, krzemu i fosforu. Stop ten pod wpływem czynników atmosferycznych pokrywa się cienką powłoką ochronną przypominającą rdzę o brązowej barwie. To sprawia, że stal nie ulega korozji, jest wytrzymała i odporna na naprężenia.

R1DfudMtZWa471

Zdjęcie przedstawia budynek biurowy o nieregularnym kształcie, wyglądający jak powstały z ułożenia wielkich pudeł jednego na drugim w nie do końca równą wysoką kolumnę. Fasada budynku ma ognistorudy kolor mocno kontrastujący z niebieskim niebem w tle.

3. Jak się otrzymuje stopy metali i jakie są ich właściwości?

W wyniku stopienia dwóch lub większej liczby różnych metali otrzymuje się mieszaniny jednorodnemieszanina jednorodnamieszaniny jednorodne zwane stopami. Zarówno metale, jak i otrzymane z nich stopy mają metaliczny połysk.

RGM217WVbTv5q1

Na ekranie pojawiają się kolejno wymieniane metale, odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Osoba odważa 5 g cyny umieszcza ją w tyglu i dodaje kalafonię .Zbliżenie na zawartość tygla. Osoba zapala palnik i podgrzewa tygiel do stopienia się cyny zbliżenie. Następnie ogrzewając dodaje w kolejności: 10 g ołowiu, 5 g kadmu i 20 g bizmutu. Mieszanie zawartości tygla do otrzymania jednorodnej mieszaniny. Zbliżenie. Przejście sugerujące upływ czasu. Zbliżenie na otrzymany stop. Usunięcie z niego kalafonii. Ponowne podgrzanie i wylanie w różne formy.

Na ekranie pojawiają się kolejno wymieniane metale, odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Osoba odważa 5 g cyny umieszcza ją w tyglu i dodaje kalafonię .Zbliżenie na zawartość tygla. Osoba zapala palnik i podgrzewa tygiel do stopienia się cyny zbliżenie. Następnie ogrzewając dodaje w kolejności: 10 g ołowiu, 5 g kadmu i 20 g bizmutu. Mieszanie zawartości tygla do otrzymania jednorodnej mieszaniny. Zbliżenie. Przejście sugerujące upływ czasu. Zbliżenie na otrzymany stop. Usunięcie z niego kalafonii. Ponowne podgrzanie i wylanie w różne formy.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Na ekranie pojawiają się kolejno wymieniane metale, odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Osoba odważa 5 g cyny umieszcza ją w tyglu i dodaje kalafonię .Zbliżenie na zawartość tygla. Osoba zapala palnik i podgrzewa tygiel do stopienia się cyny zbliżenie. Następnie ogrzewając dodaje w kolejności: 10 g ołowiu, 5 g kadmu i 20 g bizmutu. Mieszanie zawartości tygla do otrzymania jednorodnej mieszaniny. Zbliżenie. Przejście sugerujące upływ czasu. Zbliżenie na otrzymany stop. Usunięcie z niego kalafonii. Ponowne podgrzanie i wylanie w różne formy.

StopstopStop, czyli mieszaninę metali lub metalu z pierwiastkami niemetalicznymi, uzyskuje się przez stopienie składników, a następnie schłodzenie otrzymanej masy. Stop najczęściej ma odmienne właściwości od jego elementów składowych, w niektórych przypadkach nawet niewielka ilość dodatków wpływa znacząco na jego właściwości. Zazwyczaj stopy są bardziej odporne na działanie powietrza i wody, a także twardsze oraz bardziej wytrzymałe mechanicznie niż czyste metale.

R6AEai2a69TFt1

Aplikacja prezentuje proces otrzymywania stopów oraz możliwości ich zastosowania. W górnej części okna aplikacji znajduje się stylizowany rysunek huty, pod którym przedstawiono schemat obróbki metali: taśmociąg, kocioł do topienia i stanowisko spawalnicze połączone strzałkami. Z lewej strony tego schematu znajdują się dwa pomarańczowe okręgi od których biegnie strzałka prowadząca do taśmociągu. Z prawej strony znajduje się jeden taki okrąg, do którego biegnie strzałka od stanowiska spawalniczego. Pod wszystkim w podobnych okręgach znajdują się metale ułożone w pary: miedź z cyną, miedź z cynkiem, żelazo z chromem, żelazo z węglem, rtęć ze srebrem i cyna z ołowiem. Przeciągnięcie każdej z par na obszar dwóch pomarańczowych okręgów na początku schematu procesu produkcyjnego powoduje uruchomienie fabryki i pojawienie się na końcu procesu określonego stopu metali wraz z nazwą i krótkim opisem właściwości. W stosunku do wymienionych przed chwilą par metali są to kolejno: brąz (łatwy w obróbce), mosiądz (nie ulega korozji), stal nierdzewna (odporna na korozję), stal węglowa (bardzo wytrzymała), amalgamat (miękki, twardniejący z czasem) i cyna lutownicza (o niskiej temperaturze topnienia). Po każdorazowym uruchomieniu procesu w prawym dolnym rogu okna pojawia się przycisk oznaczony słowem Dalej, którego kliknięcie zeruje fabrykę i umożliwia przeprowadzenie kolejnej prezentacji.

Aplikacja prezentuje proces otrzymywania stopów oraz możliwości ich zastosowania. W górnej części okna aplikacji znajduje się stylizowany rysunek huty, pod którym przedstawiono schemat obróbki metali: taśmociąg, kocioł do topienia i stanowisko spawalnicze połączone strzałkami. Z lewej strony tego schematu znajdują się dwa pomarańczowe okręgi od których biegnie strzałka prowadząca do taśmociągu. Z prawej strony znajduje się jeden taki okrąg, do którego biegnie strzałka od stanowiska spawalniczego. Pod wszystkim w podobnych okręgach znajdują się metale ułożone w pary: miedź z cyną, miedź z cynkiem, żelazo z chromem, żelazo z węglem, rtęć ze srebrem i cyna z ołowiem. Przeciągnięcie każdej z par na obszar dwóch pomarańczowych okręgów na początku schematu procesu produkcyjnego powoduje uruchomienie fabryki i pojawienie się na końcu procesu określonego stopu metali wraz z nazwą i krótkim opisem właściwości. W stosunku do wymienionych przed chwilą par metali są to kolejno: brąz (łatwy w obróbce), mosiądz (nie ulega korozji), stal nierdzewna (odporna na korozję), stal węglowa (bardzo wytrzymała), amalgamat (miękki, twardniejący z czasem) i cyna lutownicza (o niskiej temperaturze topnienia). Po każdorazowym uruchomieniu procesu w prawym dolnym rogu okna pojawia się przycisk oznaczony słowem Dalej, którego kliknięcie zeruje fabrykę i umożliwia przeprowadzenie kolejnej prezentacji.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DtoLNE560

R1LK9bJocV8le1

Twardość stopów

Twardość stopów

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DtoLNE560

Najtwardszy okazał się mosiądz. Spośród badanych metali twardsza od cynku okazała się miedź. Twardość metali i stopów decyduje o ich zastosowaniu.

Ciekawostka

Stop z pamięcią kształtu: niklowo‑tytanowy
Stop o nazwie nitinol jest materiałem „inteligentnym”. Charakteryzuje się unikalnymi właściwościami – pamięcią kształtu. Nazwa nitinol pochodzi od jego składu: $\text{Ni}$ (nikiel), $\text{Ti}$ (tytan) oraz miejsca odkrycia: Naval Ordnance Laboratory (czyt. nejwel ordnenc laboratri), tj. laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA, w 1959 roku przez Williama Buehlera (czyt. łiliama błalera) i Fryderyka Wanga (czyt. łanga).

Odkrycie właściwości pamięci kształtu sięga roku 1932, kiedy to szwedzki chemik Arne Olander (czyt. arn olander) zaobserwował ten efekt w stopie złota z kadmem.
Materiały z pamięcią kształtu mają zdolność do odwzorowania nadanej im pierwotnie formy oraz jej odtworzenia pod wpływem np. zmiany temperatury lub pola magnetycznego.

Mimo trudności z przetwarzaniem i obróbką nitinol znalazł praktyczne zastosowanie już w latach siedemdziesiątych, np. do produkcji drutów i sprężyn (także w biustonoszach), jako składnik mechanizmu zabawek, w medycynie (szczególnie w dentystyce i ortopedii do zabezpieczenia ścięgien, więzadeł i innych miękkich tkanek w kościach) oraz jako biomateriał. Wśród materiałów z pamięcią kształtu ponad 90% komercyjnych stanowią te, które są wykonane z nitinolu. Jeśli nosisz aparat korekcyjny na zębach, być może jest on z tego właśnie stopu…

R9qgTG4wWvH1u1

Film przedstawia drucik nitinolowy odginamy (prostowany) przez eksperymentatora i wkładany do zlewki z ciepła wodą. Drucik wraca do swojego pierwotnego kształtu.

Film przedstawia drucik nitinolowy odginamy (prostowany) przez eksperymentatora i wkładany do zlewki z ciepła wodą. Drucik wraca do swojego pierwotnego kształtu.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film przedstawia drucik nitinolowy odginamy (prostowany) przez eksperymentatora i wkładany do zlewki z ciepła wodą. Drucik wraca do swojego pierwotnego kształtu.

Podsumowanie

• Właściwości stopu zależą od jego składu i sposobu jego otrzymywania.

• Stopy metali, tak jak inne mieszaniny, otrzymuje się w wyniku zmieszania dwu lub więcej metali, po stopieniu ich ze sobą i schłodzeniu otrzymanej masy.

• Stopy różnią się od metali wchodzących w ich skład właściwościami, np. twardością, wytrzymałością, ciągliwością i temperaturą topnienia (na ogół niższą w przypadku stopu). Stopy metali są odporniejsze na korozję od metali.

• Stal to stop żelaza z domieszką węgla, który zapewnia większą twardość i wytrzymałość stopu oraz obniża jego kowalność i ciągliwość. Uzyskanie specyficznych właściwości, np. odporności na korozję, wymaga dodania do stali chromu, np. stal nierdzewna zawiera 11–14% chromu. Tak przygotowaną stal stosuje się do wyrobu części maszyn, szyn kolejowych, ostrzy noży, narzędzi, zbrojeń betonu, elementów konstrukcyjnych.

• Mosiądz to stop miedzi i cynku (do 40%) oraz dodatków, np. ołowiu, glinu, cyny, manganu, żelaza, chromu oraz krzemu. Mosiądz jest przydatny do obróbki plastycznej na zimno, np. podczas produkcji łusek amunicji. Wytwarza się z niego monety, medale, świeczniki, puchary, kłódki, moździerze, pomniki, elementy ozdobne (klamry, klamki, odważniki, dzwony, okucia, ramy obrazów) armaturę, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, amunicję. Z mosiądzu wytwarza się elementy maszyn – w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych.

Słowniczek

Zadania