Дополнительный материал для обучающихся «Металлы в архитектуре города: монумент «Рабочий и колхозница»

Дополнительный материал для обучающихся
«Металлы в архитектуре города:
монумент «Рабочий и колхозница»
1. История создания монумента.
«Рабочий и колхозница» — выдающийся памятник монументального
искусства, «идеал и символ советской эпохи», представляющий собой динамичную скульптурную группу из двух фигур с поднятыми над головами серпом и молотом. Автор — Вера Мухина; концепция и композиционный замысел архитектора Бориса Иофана. Монумент выполнен из нержавеющей хромоникелевой стали. Высота около 24 м (высота павильона-постамента — 33
м). Общий вес — 185 тонн.
Монумент была создан для советского павильона на Всемирной выставке в Париже в 1937 году. Идейный замысел скульптуры и первый макет
принадлежал архитектору Б. М. Иофану, победившему в конкурсе на строительство павильона. Б.М. Иофана на создание парной композиции "Рабочий
и колхозница" натолкнула идея античной статуи "Тираноборцы", изображающей Крития и Несиота, стоящих рядом с мечами в руках.
«Рабочий и колхозница» стали высшим художественным и инженерным достижением своего времени. На опытном заводе Института машиностроения и металлообработки работу по созданию монумента вела бригада
под руководством профессора П. Н. Львова. Завод наиболее подходил для
этой задачи: там был создан первый советский стальной самолет. «Рабочего и
колхозницу» делали тем же методом и из того же материала, что и самолет.
Метод создания — контактная точечная электросварка, которую изобрел П.
Н. Львов. Материал — хромоникелевая нержавеющая сталь с повышенным
светоотражение. Скульптура рождалась в мучениях, ее много раз переделывали, так как было чрезвычайно сложно перевести полутораметровую гипсовую модель в двадцати четырёхметровый стальной оригинал. До этого подобную работу в Советском Союзе никто и никогда не производил.
Готовая скульптура весила 75 тонн. Для того чтобы везти ее в Париж,
ее разделили на 65 частей и погрузили на 28 вагонов спец. поезда. В дороге
выяснялось, что некоторые части не проходят по габаритам через польские
туннели, и тогда эти части разрезали автогеном. В Париже некоторые листы
пришлось доколачивать «на коленке» из-за повреждений при транспортировке. На стройплощадке советского павильона смонтировали деррик-кран, привезенный из Москвы, но металлический трос, державший кран, оказался подпиленным. В этом, конечно, власти Советского Союза увидели вредительство. Тогда вокруг статуи установили круглосуточную охрану и водрузили ее
за максимально короткий срок.
В парижское небо взметнулись стальные серп и молот, демонстрирующие всему западному миру новый, социалистический облик труда. Скульптурная группа получила большую золотую медаль Гран-при. Но эффект был
смазан. Напротив советского павильона стоял павильон фашистской Германии, который был на десять метров выше.
После закрытия Всемирной выставки в Париже большинство создателей «Рабочего и Колхозницы» вместе с группой инженеров были отправлены
в лагеря и ссылки. Комиссар советского павильона Иван Межлаук был расстрелян. А Вера Мухина была фактически отстранена от активной творческой работы, ее проекты не реализовывались, хотя скульптор регулярно поощрялся Сталинскими премиями за прошлые заслуги.
После окончания Парижской выставки «Рабочего и колхозницу» разобрали и смонтировали перед Северным входом на Всесоюзную сельскохозяйственную выставку (сейчас Всероссийский выставочный центр). Но гигантские фигуры были поставлены на гораздо более низком постаменте — в
3 раза ниже, чем в Париже. И стоит на нем фактически другая скульптура:
она была сделана заново из других листов стали — двухмиллиметровых, то
есть вчетверо более толстых, чем парижские.
В. И. Мухина неоднократно возражала против недопустимо малой высоты постамента, искажающей, по ее представлению, восприятие компози-
ции. По словам скульптора, она «не летит, а ползет». В советское время гигантский памятник несколько раз собирались перенести куда-нибудь в более
достойное место, однако этого не сделано.
В 2003 году было принято решение о реконструкции знаменитой
скульптуры. Монумент был демонтирован и для удобства работы разделен на
множество фрагментов. Реставрационные действия продолжались около шести лет. Внутренний каркас конструкции был укреплен, а стальное обрамление зачищено от загрязнений и обработано защитными химическими средствами, способными продлить срок службы памятника. Обновленная скульптурная композиция была установлена на новый высокий постамент в декабре
2009 года. Теперь памятник стал вдвое выше, чем был прежде.
С момента Парижской выставки скульптурная композиция стала национальным признаком советского государства, растиражированным по всему
миру в виде почтовых марок, открыток, памятных монет, альбомов с репродукциями. Изображение известного памятника появилось в виде многочисленных сувениров и по своей популярности могло соперничать только с русской матрешкой. А с 1947 года киностудия «Мосфильм» стала использовать
в своих заставках знаменитую скульптуру «Рабочий и колхозница», тем самым утвердив как эмблему советской страны.
2. Железо – простое вещество.
Железо — химический элемент побочной подгруппы VIII группы. Особенностью строения атома железа является наличие на внешнем электронном слое только двух электронов, в то время как на предпоследнем, третьем слое у атома железа не восемь, а четырнадцать электронов. Электроны внешнего слоя слабо связаны с ядром атома, поэтому в химических реакциях атомы железа легко превращаются в двухзарядные ионы:
Fe – 2e–
Fe2+
Несколько труднее атом железа «расстаётся» и с одним электроном третьего электронного слоя. В этом случае образуются трёхзарядные ионы железа:
Fe – 3 e–
Fe3+
Чистое железо — блестящий с сероватым оттенком белый металл, твёрдый, тяжёлый, плавится при высокой температуре. Железо обладает ценными техническими свойствами: ковкостью, пластичностью, электропроводностью, способностью намагничиваться и размагничиваться. Сильное
влияние на физические свойства железа оказывают примеси неметаллов и
других металлов.
3. Сталь.
Сталью называют сплав железа с углеродом, содержащий не более 2% углерода. Сталь - пластичный металл. Ее можно ковать, прокатывать и подвергать термической обработке. Все применяемые в промышленности стали,
принято разделять на сорта по тем или иным признакам: по способу производства, химическому составу и назначению.
По химическому составу сталь делятся на: углеродистую и легированную.
Углеродистые стали делятся в свою очередь:
• малоуглеродистые - менее 0,3% С;
• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;
• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.
В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:
• низколегированные - менее 2,5%;
• среднелегированные - 2,5... 10%;
• высоколегированные - более 10%.
По назначению сталь разделяют на:
- конструкционную, из которой изготовляют конструкции и детали машин;
- инструментальную, применяемую для изготовления режущего и измерительного инструмента и штампов;
- сталь с особыми физическими свойствами (нержавеющие, кислотостойкие,
магнитные, жаропрочные и др.), из которых изготовляют детали паровых и
газовых турбин, оборудование нефтяной и химической промышленности и т.
д.
Легированная сталь.
Легированной называют сталь, содержащую один или несколько легирующих элементов в различных комбинациях и количествах, изменяющих свойства этой стали и условия ее термической обработки. К легирующим элементам относятся хром, никель, титан, вольфрам, молибден, ванадий и др. Кроме
того, легирующими элементами могут быть кремний и марганец, если кремния в стали содержится не менее 0,8%, а марганца - более 1 %.
Основной целью легирования стали является увеличение ее прокаливаемости. Чтобы получить необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную или наибольшую прокаливаемость, легирование стали должно
быть минимальным. Высокие механические свойства сталь получает после
соответствующей термической обработки.
Влияние легирующих элементов. Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали. Поэтому их вводят в сталь в количествах, при которых
наиболее полно проявляется положительное действие каждого элемента.
Опыт показал, что наиболее сильное воздействие на улучшение прочностных
свойств стали оказывают определенные сочетания легирующих элементов.
Углерод - наиболее сильнодействующий элемент, содержащийся во всех
марках стали. С увеличением содержания углерода значительно повышается
твердость и понижается пластичность стали. При малом содержании углерода сталь обладает низкой прочностью, высокой пластичностью, свариваемостью и деформацией в холодном состоянии (штампуется). При содержании
углерода более 0,3% сталь хорошо закаливается.
Хром - сильный карбидообразующий элемент, способствующий уменьшению
зерна в стали при нагреве и повышающий твердость, прочность и прокаливаемость. Добавки хрома в количестве 5% и выше значительно увеличивают
коррозийную и кислотную стойкость. При содержании хрома более 12%
сталь становится нержавеющей и жаростойкой.
Никель находится в твердом растворе с ферритом. Он повышает не только
прочность стали, но и ее вязкость, и пластичность даже при пониженных
температурах. При нагреве никель противодействует росту зерен и увеличивает прокаливаемость стали. При содержании 24-26% никеля сталь становится немагнитной и коррозионностойкой.
Молибден добавляют в сталь в количестве 0,2-0,5%. Он повышает прочность,
твердость, прокаливаемость и противодействует росту зерен при нагреве стали под ковку и термическую обработку. Молибден способствует увеличению
жаростойкости и уменьшению склонности стали к хрупкости после отпуска.
Ванадий препятствует росту зерен аустенита, повышает твердость, пластичность и вязкость и является хорошим раскислителем стали. Ванадиевая сталь
мало склонна к перегреву и при термической и химико-термической обработке ее можно нагревать в широком интервале температур.
Вольфрам образует стойкие карбиды, растворяющиеся в аустените лишь при
высоких температурах. Инструментальные быстрорежущие стали, содержащие до 18% вольфрама, после термической обработки обладают высокой
твердостью, износо-и красностойкостью, т. е. способностью сохранять твердость при нагреве до 700° С.
Титан - самый сильный карбидообразующий элемент. В конструкционные
стали его вводят в небольших количествах (0,05- 0,15%). Он влияет на измельчение зерен при нагреве стали и улучшает ее механические свойства.
4. Маркировка легированных сталей.
Легированные стали маркируют по буквенно-цифровой системе. Легирующие элементы обозначают русскими буквами, например хром - X, никель - Н,
марганец - Г, молибден - М, вольфрам - В, ванадий - Ф, алюминий - Ю,
кремний - С, кобальт - К, титан - Т, бор - Р и медь - Д.
Первые цифры в марках стали указывают на содержание углерода в сотых
долях процента, а цифры, стоящие за буквой,- на содержание легирующих
элементов. Буква А в конце марки означает сталь с пониженным содержанием вредных примесей-серы и фосфора. Например, сталь 12ХНЗА расшифровывается следующим образом: 0,12% углерода, около 1,0% хрома, около
3,0% никеля, буква А указывает на минимальное содержание серы и фосфора.
К сталям с особыми физическими свойствами относятся: нержавеющие,
кислото-, окалино- и износостойкие, жаропрочные, магнитные, немагнитные
электротехнические и сплавы с высоким электросопротивлением.
Нержавеющие стали марок 1X13, 2X13, 3X13, 4X13 обладают высокой
стойкостью против атмосферной коррозии. Из них изготовляют турбинные
лопатки, хирургический инструмент, клапаны гидравлических насосов,
предметы домашнего обихода и т. д.
Кислотостойкие стали марок Х17, Х25, 1Х18Н9Т, Х18Н12М2Т и др. имеют
высокую коррозийную стойкость против воздействия различных кислот и не
подвергаются межкристаллитной коррозии (разъеданию границ между зернами стали). Из этих сталей изготовляют различную аппаратуру для химической, нефтяной и пищевой промышленности.
5. Получение стали.
По способу производства сталь разделяют на мартеновскую (основную и
кислую), выплавляемую в мартеновских печах, бессемеровскую, томасовскую, получаемую в конверторах (конвертерную), и электросталь, выплавляемую в дуговых или высокочастотных электропечах.
В мартеновских печах сталь получается хорошей плотности и однородности,
в больших количествах и невысокой стоимости.
Наукой и практикой доказано, что в настоящее время более экономичен технологический процесс выплавки стали в кислородных конверторах.
В кислородном конверторе получается вполне качественная сталь, пригодная
для всех отраслей машиностроения. Примеси серы и фосфора в этой стали
ниже, чем в мартеновской.
Сера придает стали красноломкость, т. е. большую хрупкость при повышенных температурах нагрева металла, а фосфор - хладноломкость, т. е. повышенную хрупкость при пониженной температуре, особенно при температуре
ниже нуля.
Наилучшими качествами обладает электросталь. Она чище мартеновской как
в отношении фосфора, серы и газов, так и в отношении неметаллических
примесей. Из электростали изготовляют ответственные детали машин, режущий инструмент и т. д.
6. Коррозия металлов и методы защиты.
Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Их
широкое внедрение в промышленное строительство и транспорт произошло
на рубеже XVIII-XIX. В это время появился первый чугунный мост, спущено
на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы
первые железные дороги. Начало практического использования человеком
железа относят к IX веку до нашей эры. Именно в этот период человечество
перешло из бронзового века в век железный.
В XXI веке высокие темпы развития промышленности, интенсификация производственных процессов, повышение основных технологических
параметров (температура, давление, концентрация реагирующих средств и
др.) предъявляют высокие требования к надежной эксплуатации технологического оборудования и строительных конструкций. Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и применению в связи
с этим высококачественных химически стойких материалов.
Необходимость осуществления мероприятий по защите от коррозии
диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10% ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла
связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или
выходом из строя самих металлических конструкций, т.к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, теп-
ло- и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества. К потерям, которые терпит народное хозяйство от коррозии,
должны быть отнесены также громадные затраты на всякого рода защитные
антикоррозионные мероприятия, ущерб от ухудшения качества выпускаемой
продукции, выход из строя оборудования, аварий в производстве и так далее.
Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей
Термин коррозия происходит от латинского слова corrodere, что означает
разъедать, разрушать.
Коррозия – это самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.
Коррозия металлов – разрушение металлов вследствие физико-химического
воздействия внешней среды, при котором металл переходит в окисленное
(ионное) состояние и теряет присущие ему свойства. Физико-химическая
сущность изменений, происходящих с металлом: металл окисляется.
Классификация коррозионных сред
Среда, в которой
металл
подвергается коррозии (коррозирует)
называется коррозионной или агрессивной средой. По степени воздействия
на металлы коррозионные среды целесообразно разделить на:




неагрессивные;
слабоагрессивные;
среднеагрессивные;
сильноагрессивные.
Для определения степени агрессивности среды при атмосферной
коррозии необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности среды по отношению
к конструкциям на открытом воздухе, не защищенным от непосредственного
попадания атмосферных осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. Таким образом, защита металлических
конструкций от коррозии определяется агрессивностью условий их эксплуатации. Наиболее надежными защитными системами металлических конструкций являются алюминиевые и цинковые покрытия.
Большинство металлов (кроме золота, серебра, платины, меди) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и так
далее и называются обычно рудами. Ионное состояние более выгодно, оно
характеризуется меньшей внутренней энергией. Это заметно при получении
металлов из руд и их коррозии. Поглощенная энергия при восстановлении
металла из соединений свидетельствует о том, что свободный металл обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение. Это приво-
дит к тому, что металл, находящийся в контакте с коррозионно-активной
средой стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим
запасом энергии. Первопричиной коррозии металла является термодинамическая неустойчивость металлов в заданной среде.
Классификация коррозионных процессов
Различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую. Строго отделить один вид от другого трудно, а иногда и невозможно.
Под химической коррозией подразумевают взаимодействие металлической поверхности с окружающей средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз. Она основана на реакции между металлом и агрессивным реагентом. Этот вид коррозии протекает в основном равномерно по всей поверхности металла. В связи с этим химическая коррозия менее опасна, чем электрохимическая.
В промышленном производстве металлы нередко нагреваются до высоких температур. В таких условиях химическая коррозия ускоряется. Многие
знают, что при прокатке раскаленных кусков металла образуется окалина.
Это типичный продукт химической коррозии.
Практически наиболее важным видом химической коррозии является
взаимодействие металла при высоких температурах с кислородом и другими
газообразными активными средами (H2S, SO2 , галогены, водяные пары, CO2).
Подобные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят также название газовой коррозии.
Под электрохимической коррозией подразумевают процесс взаимодействия металлов с электролитами в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например, с некоторыми органическими электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных
температурах.
Различают следующие типы электрохимической коррозии, имеющие наиболее важное практическое значение.
1. Коррозия в электролитах. К этому типу относятся коррозия в природных водах (морской и пресной), а также различные виды коррозии в жидких средах.
2. Почвенная (грунтовая, подземная) коррозия - воздействие на металл грунта, который в коррозионном отношении должен рассматриваться
как своеобразный электролит. В ряде случаев на скорость электрохимической коррозии в подземных условиях оказывает существенное влияние также
развитие биологических процессов в почве.
3. Атмосферная коррозия - коррозия металлов в условиях атмосферы, а также любого влажного газа; наблюдается под конденсационными видимыми слоями влаги на поверхности металла (мокрая атмосферная коррозия) или под тончайшими невидимыми адсорбционными слоями влаги
(влажная атмосферная коррозия). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги
на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов
коррозии.
4. Коррозия в условиях механического воздействия. Этому типу разрушения подвергаются многочисленные инженерные сооружения, работающие как в жидких электролитах, так и в атмосферных и подземных условиях.
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного
воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.
В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.
Легирование
Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое
называется легирование. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие
стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью.
Защитные пленки
Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от
коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака,
краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступ-
ны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами, поэтому они препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в
атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой,
а значит, лишь тормозит процесс коррозии.
В некоторых случаях пигменты красок выполняют также роль ингибиторов
коррозии (об ингибиторах будет сказано далее). К числу таких пигментов относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO4, PbCrO4, ZnCrO4).
Покрытие металлами
Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой.
Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу
входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны
по отношению к железу, то есть в электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. Они более электроотрицательны по отношению к железу.
В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями
железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют
оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а второе – на изготовление консервных банок. Впервые способ хранения пищевых продуктов в жестяных банках
предложил повар Н.Ф. Аппер в 1810 году. И то, и другое железо получают,
главным образом, протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла.
Металлические покрытия защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении же покрывающего слоя коррозия изделия
протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется работой гальванического элемента железо–металл. Трещины и царапины заполняются влагой, в результате чего образуются растворы, ионные процессы в
которых облегчают протекание электрохимического процесса (коррозии).
Ингибиторы
Применение ингибиторов – один из самых эффективных способов
борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы
– это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от
латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Ингибиторы
дают народному хозяйству немалую экономию.
Количество ингибитора, добавляемого в агрессивные среды, невелико.
Например, нитрита натрия добавляют в воду в количестве 0,01-0,05%.
Ингибиторы подбираются в зависимости от кислого или щелочного характера среды. Например, часто применяемый в качестве ингибитора нитрит
натрия может использоваться в основном в щелочной среде и перестает быть
эффективным даже в слабокислых средах.