Что прочнее сталь или бронза

Возможно, кто-то удивится, но большая часть известной нам писаной истории древней Эллады — это Железный век, а вовсе не Бронзовый. И битва при Фермопилах, и вообще вся эта греко-персидская заварушка — это эпоха Железного века.

Фермопильская битва, кстати, произошла в общем-то не так давно — в 480 году до нашей эры. Когда спартанские копья в тесном ущелье вспарывали животы персов, кое-где на северо-западе, на полуострове в виде сапога уже существовал не такой уж и маленький город Рим, только что скинувший власть этрусских царей и провозгласивший Республику. Его легионы еще не вышли за пределы «сапога», но Рим был терпелив. Спешить ему было некуда.

А Бронзовый век в Средиземноморье закончился в… 1200 году до нашей эры.

• Бронзовые мечи. И сейчас еще в неплохом состоянии
• Технологические особенности
• Цельнолитой рубяще-колющий меч
• Железные древнегреческие кописы

Бронзовые мечи. И сейчас еще в неплохом состоянии

Но тем не менее еще почти полтысячелетия греческие гоплиты, македонские фалангиты и остальные воины средиземноморского региона вооружались бронзовыми мечами и бронзовыми щитами. Головы их прикрывали бронзовые шлемы, и наконечники копий тоже были бронзовые. Не железные. Хотя железо уже несколько веков как умели выплавлять из руды и ковать, но вот делали из него в основном поделки хозяйственно-бытового назначения. Почему же?

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРОТИВ МЕТАЛЛОВ

Гоплит из первой линии фаланги. Красный плащ указывает на то, что это спартанец. Ну и «лямбда» на щите — Лакедемон же…)

Интерес состоит в том, что бронзовый меч на первых порах был куда прочнее меча из железа…))

Технологические особенности

Изначально бронза делалась не из сплава меди с оловом, а из сплава меди с мышьяком. Мышьяковистая бронза — довольно твердая и прочная, хотя заточку толком не держит. В общем, меч из нее по-любому долотом будет.

Впоследствии вместо ядовитого мышьяка в сплав стали добавлять олово, получив тем самым классическую бронзу. Оловянная бронза, в отличие от мышьяковистой, была годна в переделку. Проще говоря, сломанный меч из мышьяковистой бронзы соединить обратно не получится — если обломки расплавить, мышьяк испарится, и останется сущая ерунда. А из оловянной — запросто. Кинул в печь, расплавил, залил в новую форму — и вуаля!

А главная технологическая особенность бронзы заключается в том, что мечи, наконечники копий и элементы для обкладки щитов из нее… Отливали. Расплавляли металл, заливали в керамическую форму и давали остыть. Все, готово.

Цельнолитой рубяще-колющий меч

На фото выше — технологическая современная копия бронзового меча примерно VI века до нашей эры, средиземноморского региона. Его длина — 74 см, а масса — всего 650 г.

Бронза, в отличие от железа, становится прочнее именно после отливки, ковка ее разрушает. А вот железо нужно ковать. Хотя и расплавить железо древние люди не могли при всем желании.

Таким образом, железный меч те же спартанцы эпохи царя Леонида сделать вполне могли. Сам по себе этот металл они знали. Только вот не хотели они…

Насколько прочны металлы? Взрывание + РАЗБИТОЕ ОКНО! Проверка гидравлическим прессом

Дело в том, что чистое железо, вот только что из сыродутной печи, очень мягкое. Гораздо мягче бронзы, делать которую к тому моменту в Элладе уже давно навострились. Разных сортов — где надо, добавим олова, где надо — убавим…

Чтобы железный меч стал прочнее бронзового, его надо делать методом «пакетной» технологии — сваривать вместе кузнечной сваркой элементы из железа и из твердой стали. Технологию эту кое-кто в Малой Азии тогда уже знал, но даже персидские «бессмертные» — знаменитая гвардия Ксеркса — бессмертными считались не потому, что носили железные доспехи, а потому, что численность их отряда всегда поддерживалась на одинаковом уровне — ровно 10 тысяч. Они как бы не умирали вовсе ))

Бессмертные. Персидский барельеф

Вот и получалось, что в основное достоинство железных орудий в эпоху царя Леонида и Фермопильской битвы было в их дешевизне. Железный инструмент — из «сырого» железа — был, и стоил меньше бронзового, но для военных целей не годился. Железные мечи в это время были еще слишком мягкими. Пройдет немало времени, прежде чем распространится технология сварного железа, этот металл научатся закалять и более-менее прилично обрабатывать. И то у тех же римлян лет триста еще кольчуги будут железными (из мягкого железа), а шлемы — бронзовыми.

Основные преимущества бронзового меча перед железным в эпоху Фермопильской битвы

1. Легче изготавливать — мечи и другие предметы просто отливались в формах — целиком, вместе с рукоятками. Железо нужно было ковать.

2. Твердость и прочность — оловянная бронза (точное количество олова в составе подобрали путем проб и ошибок) была намного прочнее сырого железа. Скорее бронзовый меч в то время перерубил бы железный, чем наоборот.

3. Коррозия. Бронза с течением времени окисляется, но не так чтоб значительно. А сыродутное железо, в котором всегда есть какая-то примесь углерода, быстро ржавеет до полного разрушения.

Железные древнегреческие кописы

Единственным, но существенным недостатком бронзы, прямо влиявшем на ее стоимость, была необходимость в олове. Олова было немного, и стоило оно довольно дорого. Добывалось олово в виде минерала касситерита, из которого впоследствии выплавлялось. Но сам по себе касситерит довольно редок, его в то время не добывали рудным способом, а находили в россыпях на берегах рек. Называли его «оловянным камнем».

Впоследствии «оловянный камень» и вовсе начали возить из невероятной дали — с Британских островов, так и звавшихся тогда Оловянными.

А вот распространение железного оружия и доспехов напрямую было связано с развитием технологий сталеварения, которые, опять-таки, напрямую зависели от хода технологического прогресса в целом. Да, у железа в конечном итоге оказался больший потенциал, но об этом в пятом веке до нашей эры еще мало кто догадывался…)

Источник: www.pravda-tv.ru

Бронза. Технологическая справка

Бронза это сплав меди с оловом или мышьяком, обладающий значительно большей, по сравнению с медью, твёрдостью, прочностью и легкоплавкостью. Классическая оловянная бронза с трудом поддается обработке давлением, резанием или заточке, в основном она литейный металл. Оловянная бронза обладает несколько лучшими характеристиками с технологической точки зрения, при том, что ее потребительские свойства примерно идентичны мышьяковистой. Исторически раньше появилась — мышьяковистая (черная) бронза, а постепенное ее вытеснение оловянной началось после 3000 года до н.э., но из–за дефицита олова еще в течении долгого периода Египетская бронза, бронзы Крита и западной части Средиземноморья оставались «черными».

Литьё бронзы в Древнем Египте (Новое царство, около 1450 г. до н.э). [2, 72]

В чем же, с технологической точки зрения, «черная» бронза уступала оловянной? Во-первых, она при переплавке, существенно изменяла свои механические свойства в худшую сторону из-за чего долгое время продукты из повторно используемой бронзы стоили существенно дешевле, чем аналогичные — из “первородной”.

Рециклинг лома в эпоху «черной» бронзы (III тыс. до н.э.) [2, 68]

Понять причину вызывающую ухудшение качества переплавленного металла древние металлурги не могли, но оловянной бронзой подобного эффекта не возникало. Во-вторых, соединения мышьяка очень токсичны, отчего древние металлурги обладали целым букетом профессиональных заболеваний. Эта особенность древней металлургии нашла отражение во многих мифах и преданиях того периода, в которых металлурги, как правило, изображались хромыми, горбатыми, часто карликами, со скверным характером, косматыми и с отталкивающей внешностью. [2, 69-70]

Соотношение общепринятой хронологии цивилизации с важнейшими событиями в истории металлургии [2, 12]

Важным технологическим преимуществом бронзы являлось то, что температура плавления у нее даже ниже чем у меди. То есть 950°C у бронзы против 1084°C у меди.

Температурный уровень термообработки изделий и извлечения металлов из руд [2, 26]

Для древней металлургии даже разница в 130°C была чрезвычайно важной с технологической точки зрения. Плавильные печи были несовершенны, обеспечивать высокие температуры плавления в них было сложно. А относительно не высокая температура плавления бронзы, позволяла осуществлять переплавку изделий из нее вне специализированных металлургических центров.

Температурный уровень производства основных материалов древности [2, 27]

По потребительским характеристикам бронза была тверже железа и не такой хрупкой, как пока ещё не изобретённая человечеством сталь. Но в отличие от железа, требовавшего долгой процедуры ковки, бронзовые изделия отливались, что сильно упрощало производство и стандартизацию готовых изделий.

Литейная форма для отливки 5 серпов, бронзовый век. Из коллекции музея УОЛЕ (Екатеринбург)
Каменная форма для отливки топоров (Сардиния)

Металл войны
Примером массового производства, может быть изготовление наконечников для стрел или копий.. Эксперимент, проведенный английскими археологами и специалистами по литью, показал что в литейной форме один мастер с несколькими квалифицированными помощниками мог отлить за неделю около 10 тыс. наконечников, шесть литейщиков могли за месяц отлить более 500 тыс. наконечников, переработав при этом до 2 т металла [1, 96].

С самого своего появления на свет бронза стала «металлом войны», а обладание бронзовым вооружением — необходимым условием для успешного ведения боевых действий. Именно бронза позволила создавать длинные прямые мечи, «тяжелые» воинские доспехи и прочее оружие, на порядок превосходившее медные и каменные аналоги.

Микенские тяжело вооруженные воины (Giuseppi Rave)

Олово
К сожалению, олово оказалось еще более редким металлом, чем медь. Содержание олова в земной коре составляет всего около 2 ppm (олово в 35 раз более редкий металл, чем медь и в 25 000 раз более редкий, чем железо). Первыми оловянными бронзами были бронзы Анатолии, связанные с добычей олова из месторождений Киликии и Тавроса. Однако, уже к XIX веку до н.э. небольшие месторождения олова Малой Азии уже были полностью выработаны и его приходилось ввозить из мест, иногда удаленных за тысячи километров от металлургических центров.

Рециклинг лома в эпоху оловянной бронзы (II тыс. до н.э.) [2, 75]

А что означал в условиях бронзового века дефицит олова? Без олова невозможно произвести качественную бронзу, без которой не вооружить армию, государство, не имеющее сильной армии, станет добычей лучше вооруженных соседей. Поэтому ведущие государства делали все возможное, чтобы охранять и контролировать торговлю оловом. Олово было стратегическим ресурсом, легшим в основу экономики бронзового века.

Реконструкция боевой колесницы андроновцев
Литература

1. Черненко Е.В. — Скифские лучники. Киев. «Наукова думка». 1981 г. — с. 168
2. Черноусов П.И., Мапельман В.М., Голубев О.В. Металлургия железа в истории цивилизации. – М.: МИСиС, 2005г. — с. 413

Источник: cultprosvet-mag.livejournal.com

uCrazy.ru

Когда настал железный век, часть I. Бронза не сдает позиции

При изготовлении орудий труда и оружия железо предпочтительнее бронзы. Это знает каждый современный человек. Так ему рассказали в школе. Также со школы большинство представляет, что переход с одной металлургической технологии на другую проходил скачкообразно. Нашли, научились, преобразовали мир.

Хотя, конечно, в чистом виде этого никогда не наблюдалось. Долгое время вообще бронза и железо сосуществовали вместе и вполне успешно конкурировали. В конечном итоге, даже сегодня какие-то инструменты мы продолжаем изготавливать из медных сплавов. А что говорить про людей прошлого, у которых не было наших знаний и технологических умений. Они только нарабатывали базу знаний, которой мы сегодня пользуемся.

Тут важно понимать два момента. Железо считается одним из самых распространенных элементов в природе. И если уж нет под боком Магнитки, долины Рура, Шведских гор или еще какого-то серьезного месторождения руды, то всегда имеется болотная руда. А вот меди так просто не накопаешь. Ее месторождения точечные даже сегодня.

Следовательно, она всегда дороже железа.

Для современного человека железо в обработке проще: нагрел, отковал, термически обработал. Бронзу каждый раз придется плавить. Но при получении все с точностью до наоборот. При использовании примитивной оснастки, которая имелась в распоряжении наших предков, с медью управляться выходило проще.

Оружие, инструменты и украшения бронзового века. Из энциклопедии 1900 года

По табличным данным медь плавится при 1085 градусах Цельсия, а олово – и вовсе при 232. Многовато для простого костра, но вполне достижимо при использовании древесного угля и принудительного дутья. При этом необязательно даже наличие мехов – иные народы и сегодня в Африке управляются просто дуя по очереди через трубку в нижней части печи.

С железом сложнее. Для его плавки потребуется достичь уже 1539 градусов. И этот порог долгое время оставался недостижим для людских технологий. Правда, на древесном угле удавалось восстанавливать этот металл из окислов (то есть из руды), но на выходе получали пористую структуру с огромным количеством шлаков.

Поэтому полученную крицу приходилось долго охаживать молотами потяжелее, чтобы сварить кузнечной сваркой металл и вышибить из него все ненужные примеси. Так что по итогу непосредственное получение железа из руды выходило даже дороже, чем добыча меди.

Железо получили и впервые надумали применять в Уре (это в Месопотамии) и в Египте, но там предпочитали брать метеоритное железо. Его можно сразу ковать, восстанавливать заранее не надо. Это IV тысячелетие до нашей эры. Во II тысячелетии хаты, почти сразу завоеванные хеттами, сообразили как получить кричное железо из руды. Все эти страсти кипели на территории современной Турции.

Кузнец бронзового века. Иллюстратор: Flemming Bau

Минус первого железа был в крайне ужасном качестве. Часто бронзовое оружие имело даже большую прочность, да к тому же медные сплавы лучше сопротивляются коррозии. Так что неудивительно, что к новой технологии какое-то время не особо присматривались.

Бронзовые изделия ценились. Их часто использовали как аналог платежных средств. Известны клады в Европе, состоящие из заготовок бронзовых топоров. Примерно такие же находят на землях скифов, но там предпочитали наконечники стрел. Любопытно, что эти изделия даже не обрабатывали окончательно – они высоко котировались и так, сами по себе.

Но в какой-то момент весь этот цветной металл разом обесценился, и иной раз даже выбрасывался владельцами – видимо, потрясение оказалось слишком сильным. Тут-то археологи поняли, что ценности в мире резко поменялись – настал век железный. Уже без всяких оговорок.

Обязательно читайте продолжение.

Источник: ucrazy.ru

Бронза: состав, свойства, сфера применения

Бронза – сплав меди с другим веществом (в большинстве случаев это олово). Также благородный металл может состоять из многокомпонентной комбинации с применением алюминия, кремния, бериллия, свинца.

Что такое бронза

Бронза – это сплав меди, в котором основным легирующим компонентом выступают как металлы, так и не металлы. Непосредственные характеристики полученных сплавов определяются их соотношением и фазовым составом расплавов.

Чаще всего за основу берут олово. Реже, но встречаются, сплавы с добавлением алюминия, кремния, бериллия, свинца. Но фактически во всех вариациях сплавов используют незначительное количество фосфора и цинка.

Полезно! Состав и свойства бронзы определяются межгосударственными стандартами. ГОСТ 613-79 «Бронзы оловянные литейные» и ГОСТ 18175-78 «Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением».

Немного истории

Самая древняя находка изделий из бронзы была обнаружена неподалёку от реки Топлица в южной части современной Сербии. Датируется она V в. до н.э. В нашей стране обнаружение самого старого бронзового артефакта произошло в 1897 г. и относится к так называемой Майкопской культуре, существовавшей в IV в. до н.э. Изделия преимущественно представлены в виде сплава из бронзы и мышьяка. Постепенно о существовании мягкого эластичного металла узнали на Ближнем Востоке, в Египте.

Вышеупомянутая мышьяковая бронза считается первым видом этого металла. Однако сплав имел широкий перечень недостатков, связанных с вредным для здоровья процессом изготовления и сравнительно высокой стоимостью, которая объяснялась дороговизной мышьяка. Это стало причиной её постепенного вытеснения с мирового рынка и использованием более экологичного и дешевого состава – оловянной бронзы (это сплав олова и меди).

Если на этапе появления металл применялся для изготовления хозяйственных и рабочих предметов, то к V в. н. э. в Древней Греции её стали применять для отливки скульптур. Позже сплав превратился в основной источник денежной индустрии – из него отливали монеты.

Лишь в средних веках бронзу стали использовать в производстве предметов вооружения, церковных колоколов.

Отличие видов, классификация

Деление на виды осуществляется исходя из конкретных компонентов состава. Например, изготовленная с использованием олова с меньшим процентным соотношением свинца либо фосфора способствует эффективному легированию. Благодаря этому усиливается прочность и твёрдость сплава. Он лучше переносит плавку, хорошо держит заданную форму. Поверхность отлично поддаётся шлифованию, усиливаются рабочие и визуальные показатели.

Однако, сплав бронзы, это не только концентрация меди и олова. Существуют виды, состав которых построен по новой формуле, кардинально отличающейся от вышеупомянутой. Эта группа сплавов получила название безоловянная бронза. По техническим и эксплуатационным характеристикам, они ничем не уступают оловянной, а по некоторым показателям, даже превосходят её.

Также деление осуществляется по технологическому параметру. По этому признаку бронза может быть деформируемой и литейной.

• Деформируемая – используется для механической обработки. Отлично шлифуется, куётся, режется. Процент олова в составе не превышает 5 единиц, что способствует нужной пластичности. Используется для изготовления листового металла, проволоки, прутьев, лент – изделий, применяющихся в строительстве.
• Литейная – применяется для изготовления литейных изделий. Преимущественно служит для производства литых изделий: шестерни, вкладыши подшипников, трубопроводная арматура.

Оловянная

Оловянная бронза – это сплав с преобладающим количеством меди, смешанной с оловом. Исторически доказано, что данный состав является одним из первых, освоенных человеком разумным. Ей свойственна большая (при сравнении с обычной медью) твёрдость, прочность, лучше и легче плавится.

Недостатком бронзы является то, что она практически не видоизменяется при воздействии давления. Это условие не позволяет использовать её в других популярных видах металлообработки: ковке, штамповке, прокатке, резке, заточке.

Такая особенность относит её к непосредственно группе литейных металлов. Кроме того, по этим характеристикам она нисколько не уступает другим. Например, бронза имеет минимальный процент усадки (1%), для латуни и чугуна этот показатель равен 1,5%, сталь показывает ещё большее значение – 2%.

Исходя из этих критериев, вне зависимости от склонности к ликвации и сравнительно невысокой текучести, бронза востребована в получении сложноформовых отливок, в том числе и относящихся к художественному литью.

Полезно! Ликвация – неоднородный состав химических элементов, возникающий в результате преобразования последних в кристаллы с определённой структурой (кристаллизации).

Безоловянная

Под понятием «бронза» могут подразумеваться иные медные сплавы, в которых не содержится олово. Это латунь, константан и алюминиевая бронза. Последняя лидирует по показателю механических качеств, более устойчива к химическим воздействиям.

Полезно! При добавлении кремния в медь, образуется сплав, обладающий отличной текучестью.

Лучшие показатели упругости свойственны бериллиевой бронзе. Также этот сплав отличается высокой твёрдостью. Он хорошо подвергается обработке (резке), часто используется для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов.

Свойства металла

В отличие от латуни бронза устойчивее переносит коррозию и любые механические воздействия, имеет лучшие антифрикционные свойства (показатель низкого коэффициента трения материалов). Она менее подвержена разрушению при длительном контакте с кислородом, солёной водой, углекислым газом, органическими кислотами. Большая часть разновидностей бронзовых сплавов подлежит варке и пайке посредством мягкого или твёрдого припоя.

Цвет металла определяется от количества и наименования добавленных компонентов. Варьируется он в диапазоне от белого, до красного. Физические свойства бронзы определяются в зависимости от легирующих элементов:

• Показатель прочности определяется в зависимости от присутствия олова, никеля, алюминия и кремния.
• Увеличение антифрикционных свойств происходит за счёт за счёт добавления свинца или фосфора.
• Рост температуры рекристаллизации осуществляется за счёт снижения размера зёрен сплава. Отражается это при добавлении никеля и железа.
• Стойкость к высоким температурам сказывается при внесении частиц кремния или марганца. Кроме того, увеличение жаропрочности происходит при добавлении хрома, циркония и бериллия, которые также сказываются на понижении коэффициента электропроводности.

Область применения

Вышеупомянутые свойства бронзы отражаются на том, что она становится достаточно популярной. Сплав применяется во многих отраслях: машиностроении, металлургии, электротехнике, химической промышленности, быту. В качестве более пристального раскрытия темы можно привести детальные примеры.

Промышленность

Как уже упоминалось, из-за низкой способности к усадке, оловянная бронза широко используется для изготовления пружин, подшипников, прижимных контактов.

Алюминиевая бронза дешевле, чем оловянная, но именно первый сплав имеет отличные антикоррозийные качества. Это делает его востребованным в изготовлении аппаратуры химического назначения и той, что часто контактирует с солёной морской водой.

Сплавы, имеющие высокую пластичность и упругость используются в производстве автомобильных прокладок, составляющих измерительных приборов, шестерен.

Материалы, невосприимчивые к возникновению коррозии и имеющие хорошую электропроводность, успешно применяют в электротехнической отрасли. К примеру, из бериллиевой бронзы изготавливают детали, пружинные контакты и интегральные схемы для мобильных телефонов, смартфонов и других гаджетов. По этой же причине металл используют в производстве фитинга для монтажа трубопроводов: краны, клапаны, тройники, переходники.

Бытовое назначение

Долговечность, твёрдость, прочность, стойкость к неблагоприятным условиям и воздействиям окружающей среды делают бронзу востребованной для изготовления уличных декоративных элементов. Встретить изделия из сплава можно практически на любой улице: фонари, скамейки, беседки, скульптуры и статуи.

За счёт оригинального желтоватого или красноватого оттенка, бронза считается высоко эстетическим композитом. Эта характеристика объясняет её популярность при изготовлении статуэток, мелких предметов интерьера и уличного декора.

Алюминиевой бронзе свойственен оттенок золотого. По этому признаку сплав используется для производства украшений: серёжек, колец, кулонов.

Популяризация бронзовой кухонной посуды наблюдалась ещё в начале Бронзового века, присутствует эта традиция и сегодня.

Процесс изготовления бронзы

Как уже упоминалось, бронза – это многокомпонентный сплав меди с другими элементами. В роли шихты для её производства применяют чистые металлы или уже скомбинированные сплавы, имеющие вид чушки. Последний способ более популярен и служит основным методом для приготовления литьевого сплава. Осуществляется он в 4 приёма:

• Загрузка готового сырья. Процесс выполняется размещением чушек в графитно-шамотные или графитно-карборудные тигли. Перед использованием формы предварительно прокаливаются и просушиваются.
• Приготовление расплава. На первом этапе плавится медь. Загружается она всем объёмом или небольшими партиями. Позже вносится фосфористая медь, что становится причиной образования жидкого фосфата, который удаляется. Только после очистки добавляются иные составляющие, которые предусмотрены рецептурой.
• Перегрев. Содержимое тиглей нагревается до 1 150-1 200°С. На этом этапе оловянная бронза выплавляется с помощью древесного угля или угля с добавлением солей. При обнаружении кремния, магния или алюминия (выступающих в данном случае в роли шлака), вносятся жидкие солевые флюсы.
• Дегазация. Здесь происходит очистка внутренней структуры от содержащегося в ней газа. В большинстве случаев это водород.

Важно! На заключительном этапе выполняется цикл модифицирования для увеличения качественных свойств полученного сплава. Конкретный метод определяется в зависимости от конечного состава бронзы.

Заключение

История открытия бронзы тянется из глубины веков. На протяжении нескольких тысячелетий человек изготавливал их этого сплава приспособления, облегчающие его жизнь. Сегодня она не менее популярна, чем в прошлом тысячелетии и, благодаря своим удивительным свойствам, применяется практически повсеместно.

Источник: m-strana.ru