Iron
Koostis / struktuur
Keemiline element raud (Ferrum, Fe), kristallstruktuur – ruumkesestatud kuubiline võre.
Omadused
Hõbevalge metall, tihedus 7874 kg/m3, sulamistemperatuur 1811 K (1538 °C). Allpool Curie punkti 768 °C on raud ferromagneetik. Sobivad tugevus, kõvadus ja töödeldavus on teinud raua (rauasulamid) asendamatuks tööriistade ja masinate valmistamisel, ehitustegevuses. Alates rauaajast on inimtsivilisatsioon olnud suuresti rauatsivilisatsioon. Raua puuduseks on ta intensiivne roostetamine, mille vältimiseks kasutatakse erinevaid pinnakatteid või raua legeerimist korrosiooni vähendavate lisanditega.
Saamine
Raua massisisaldus maakoores on 6% (neljas element hapniku, räni ja alumiiniumi järel). Ehedal kujul eksisteerib rauda looduses vaid raudmeteoriitide koostises, mis koosnevad kõrge niklisisaldusega (5-30%) rauast. Rauda toodetakse rauamaakide (hematiit – Fe2O3, magnetiit – Fe3O4) metallurgilise taandamisega. Suured rauamaagivarud (25 miljardit tonni 32-37% rauasisaldusega maak, enam kui 30 miljardit tonni 52-66% rauasisaldusega maaki) asuvad Venemaal Kurski magnetilise anomaalia piirkonnas, kus asub ka maailma suurim lahtine kaevandus mittepõlevate maavarade tootmiseks – Lebedinski karjäär (Google Maps). Maailma suurimaks rauamaagi leiukohaks peetakse aga seni veel vähe kasutusel võetud El Mutúni maardlat Boliivia-Brasiilia piiril (Google Maps), mille varusid on hinnatud 800 miljardile tonnile maagile, mis sisaldab 230 miljardit tonni puhast rauda.
Rakendused
Ehituses ja masinaehituses kasutatavate erinevate sulamite (teras, malm, roostevaba teras jt. legeeritud terased) peamise koostisosana.
Näidised
E14.1. Muinasmetallurgilise rauasulatuse rekonstruktsioonil [1, 2] saadud käsnraud.
E14.2. Raudmeteoriit (lõige). Lõigatud, poleeritud ja happes söövitatud pinnal ilmneb enamikel raudmeteoriitidest iseoomulik struktuur, nn. Widmanstatteni kujundid (vahelduvad niklirikkad ja niklivaesed ribad).
E14.3. Sooraud – Eesti rauamaak.
E14.6. Hematiit (polükristalne).
E14.7. Damaskuse teras. Erinevatest terasesortidest kokkusepistatud metallkomposiidi struktuur tehakse nähtavaks pinnasöövitusega. Näidise pinnal on metallikunstnik Tõnu Arraku meistrimärk [6].
E14.8. Katkivenitatud raudvarras: nähtav on peenenenud “kael”, mille teke (varda plastne deformatsioon) eelneb purunemisele.
E14.10. Laagrikuulid. Suure kulumiskindluse tagab legeeritud (lisanditega) eriteraste kasutamine.
E14.12. Bistabiilne lehtvedru (ik slap-wrap), kogupikkus sirges olekus 310 mm, rullikeerdunult läbimõõt 35 mm. Terasest vedru üleviimiseks ühest olekust teise on vaja välist jõudu, nt lööki sirge vedrulehega vastu mingit eset. Sarnase omadusega on ka nt metallist mõõdulint – see muudab ta lahtikeritud (“sirges”) asendis jäigaks, mis on kasulik mõõtmistel, lubab aga linti ka hõlpsasti rulli keerata. Taoliste struktuuride omadused on tingitud nendes tekitatud mehaanilistest sisepingetest
E14.13. Suunatud plahvatusega läbistatud terasplaat
(250 x 250 x 50 mm), vt D14.7.
Demod, katsed
D14.1. Võrrelge raua, magnetiidi ja sooraua magnetomadusi.
D14.2. Hematiidi triip. Rauasaega musta poleeritud hematiiditükki tehtud sisselõike värvus on punakaspruun. Selle põhjuseks on asjaolu, et valgus neeldub lõikepinda katvates mikrokristallikestes enne tagasihajumist vähem kui monoliitses hematiiditükis. Selline “triibu värvus” võib uuritavat mineraali iseloomustada paremini kui suure monoliitse tüki värvus, kus pea kogu langenud valgus neeldub.
D14.3. Raudvarda purunemine venitusel (vt. E14.8).
D14.4. Rauapuru korrastumine magnetväljas. Välises magnetväljas moodustavad rauaosakesed triipe välja jõujoonte sihis. Sellest magnetvälja jõujoonte krestomaatilisest demonstratsioonist ei tohi aga järeldada, et väli on ruumiliselt mittehomogeenne (seal kus rauaosakesed koonduvad, on “jõujoon”, mujal aga väli puudub). Rauaosakeste ruumiliselt ebaühtlase paiknemise põhjuseks on nende lateraalne (külgmine) tõukumine: välises väljas muutuvad rauakübemed sarnaselt orienteeritud pisimagnetiteks, mille vahel mõjub tõukejõud (kahe silindermagneti abil on seda lihtne kontrollida). Kui rauaosakesi on kusagil kogunenud juba piisavalt palju, ei lase külgmine tõukumine uutel osakestel neile läheneda ja tekibki piirkond, kus rauakübemed puuduvad. Muidugi, mingil määral hakkab rauakübemete ebaühtlane ruumiline jaotus mõjutama ka magnetvälja, muutes selle ebaühtlaseks ka jõujoontega ristuvas sihis – see on aga juba sekundaarne (teisene) efekt.
D14.5. Kristalli mudel. Laagrikuulikesed kahe klaasplaadi vahel lubavad visualiseerida mitmeid protsesse ja nähtusi, mis ka samade kuulikeste materjali kristallvõres ca. kümme miljonit korda väiksemas mastaabis aset leiavad.
Teisel pildil on näha kuulikestest tekkiva 2D struktuuri mittehomogeensus. Punane punktiir ümbritseb “mikrokristalliiti”, mille piires kuulikesed paiknevad korrapärases heksagonaalses võres ja mida ümbritsevad vähemkorrastatud alad. Erinevalt orienteeritud mikrokristalliitide teket põhjustab meie mudelis ka asjaolu, et välise ruudukujulise raamiga etteantud süsteemi kuju ei ühti tema “mikrosokoopilise” heksagonaalse sümmeetriaga. Kolmandal pildil on näha, et ruudu servade juures püüavad kuulikesed paikneda nii, et üks kristallvõre vektoritest (punased nooled) oleks servaga paralleelne. Sujuv üleminek ühelt orientatsioonitüübilt (näiteks tüübilt A, mille tekitab horisontaalne alumine serv), teisele (B –tekitatud vertikaalse serva poolt) on võimatu. See saab toimuda vaid läbi korrastamata lahutuspinna (meie 2D juhul läbi lahutusjoone – punane punktiir). Parempoolsel pildil on näha kristallvõre defekt – vakants (puuduv osake). Ka on pildilt nähtav, et servaefektid ainuüksi mikrokristalliitide orientatsiooni ei määra. Servadest eemal on võimalikud ka situatsioonid, kus kumbki võrevektoritest ei ole paralleelne ühegi servaga.
D14.6. Slap-wrap keerdub löögist rulli. Löögi tagajärjel vastu puidust silindrit keerdub algselt sirge bistabiilne lehtvedru E14.12 ümber silindri. Seda kasutatkse nt “isekinnituvate” helkurribade valmistamiseks – löögil vastu käsivart keerdub riba selle ümber.
D14.7. Suunatud plahvatus läbistab terasplaadi. Suunatud plahvatus tekib nn kumulatiivlaengute lõhkamisel. Taoline laeng kujutab endast lõhkeaine paketti, milles on kooniline õõnsus (joonisel läbilõikes). Kumulatiivlaengu plahvatusel tekib ülehelikiiruseline gaasijuga, mis on suuteline läbistama pakse metalli-, betooni- jm kihte.
Fotodel on vaated 50 mm paksusele terasplaadile, mille on läbistanud 3 kg TNT kumulatiivplahvatus. Vasakult: plaadi lõhkekeha-poolne külg, vastaskülg ja külgvaade. On näha, et avause ümbruses on metall plaadi vastaküljel ca 15 mm välja pressitud. Sama plahvatus oli tegelikult suuteline läbistama 6 sellist ülestikku asetatud plaati (fotodel on neist esimene), tekitades viimasesse plaati sõrmejämeduse avause. Tähelepanu: EV karistusseadustiku alusel karistatakse lõhkeaine ebaseadusliku valmistamise, valdamise, soetamise, üleandmise, turustamise või muu ebaseadusliku käitlemise eest rahalise karistuse või kuni viieaastase vangistusega.
Viited:
- J. Peets, “Rauasulatusahjude kuma taas Eestimaa öös”, Horisont, 4, 1993, lk. 7-10.
- Periodic Table : Scholar edition: iron : The Essentials [29.11.03]
- “… Tuubal-Kain…, kes õpetas sepist taguma kõike, kes tegid vask- ja raudsepa tööd …”, Vana Testament, 1 Mo. 4:22.
- K. Soans, “Tõnu Arraku triibulisest terasest noad”, Postimees 01.11.2003 [15.08.04]
Tänu: Jüri Peets, Olle Hints, Tõnu Arrak, Ülle Kikas, Ken Kalling, Aigar Vaigu, Ainar Affanasjev
Koostas: Taavi Audova, JK
