‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית מן השנים ‪1985-2009‬‬ ‫הנושא‪ :‬מטלורגיה‬ ‫סגסוגת המכונה מתכת לבנה )‪ (babbit metal‬מכילה מספר יסודות‪) .‬א( ציין את שמות היסודות‬ ‫בסגסוגת ואת תרומתו של כל אחד מהם לתכונות של הסגסוגת; )ב( מהו השימוש העיקרי של‬ ‫סגסוגת זו‪ ,‬ומהן התכונות שבזכותן היא מתאימה לשימוש זה‪] .‬קיץ ‪[2004‬‬ ‫מתכת לבנה היא סגסוגת על בסיס בדיל )‪ ,(85-88%‬המכילה גם אנטימון )‪ ,(8-10%‬נחושת )‪(4-5%‬‬ ‫וקדמיום‪ .‬היא בעלת מקדם חיכוך נמוך‪ ,‬ומשמשת לציפוי מסבי החלקה בעלי סיכה הידרודינמית‪,‬‬ ‫בעיקר מסבים ראשיים ומסבי ארכובה‪ .‬קיימת גם מתכת לבנה על בסיס עופרת‪.‬‬ ‫הבדיל בתוך המתכת הלבנה יוצר רפידה רכה‪ ,‬הסופגת שינויים קטנים בקוויות הציר‪ .‬האנטימון יוצר‬ ‫קוביות קשות מאד‪ ,‬הסופגות את העומס שמפעיל הציר על המסב‪ ,‬ומעבירות אותו אל קסוות הפלדה‬ ‫התומכת‪ .‬לאנטימון התנגדות רבה לשחיקה‪ .‬כאשר יוצקים מסב והמתכת הלבנה במצב מותך‪ ,‬נוטות‬ ‫קוביות האנטימון לצוף ולהתלכד‪ .‬חלקי הנחושת מונעים זאת‪ .‬לנחושת נקודת היתוך גבוהה‪ ,‬היא‬ ‫מתמצקת ראשונה ויוצרת מחטים ארוכות בצורת שתי וערב בתוך הבדיל הנוזלי‪ .‬מחטי הנחושת‬ ‫השזורים אוחזים בקוביות האנטימון במרחקים שווים זו מזו בתוך רפידת הבדיל‪ .‬קדמיום משפר את‬ ‫קשיחות מתכת המיסוב ומונע התעייפות‪.‬‬ ‫)א( תאר כיצד בודקים חוזק של מתכת לשבירה )נגיפה(‪) .‬ב( תאר כיצד בודקים קושיות של‬ ‫מתכת‪) .‬ג( הסבר כיצד מבצעים חיסום של איזמל‪) .‬ד( הסבר כיצד מבצעים ריכוך טבעת אטימה‬ ‫העשויה נחושת‪] .‬קיץ ‪[2000‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫ראו תשובה לשאלה מקיץ ‪ ,1989‬סעיף ג'‪.‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫ראו תשובה לשאלה מקיץ ‪ ,1989‬סעיף ב'‪.‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫חיסום של איזמל נעשה בשני שלבים‪ .‬תחילה מחממים את האיזמל כולו לטפרטורה של כ‪-‬‬ ‫‪ ,8400C‬עד קבלת גוון אדום דובדבן‪ .‬טובלים את חוד האיזמל‪ ,‬עד גובה כ‪ 4-‬ס"מ מהקצה‪,‬‬ ‫במים קרים‪ ,‬כשהאיזמל ניצב‪ ,‬ומניעים אותו מעלה‪-‬מטה בתוך המים כשהחוד תמיד בתוכם‪.‬‬ ‫השלב השני הוא הרפיית האיזמל‪ ,‬לשם הקטנת הפריכות של החוד‪ ,‬שהופך בעקבות החיסום‬ ‫לקשה אך שביר‪ .‬ההרפיה נעשית לא על ידי חימום מחדש לטמפרטורה נמוכה‪ ,‬כפי שעושים‬ ‫בטיפול תרמי של חלקים גדולים‪ ,‬אלא על ידי ניצול החום השיורי הקיים בגוף האיזמל‬ ‫שהתקרר באוויר‪ .‬מוציאים את חוד האיזמל מן המים ומלטשים אותו מיד בשופין או בבד שמיר‬ ‫עד שהוא מבריק‪ .‬כדי שניתן יהיה להבחין בשינוי הגוון של החוד‪ .‬החום השיורי זורם מגוף‬ ‫האיזמל אל החוד הקר יותר וגוון החוד משתנה בהדרגה‪ .‬כשמתקבל צבע כחול‪ ,‬טובלים את‬ ‫האיזמל כולו במים‪ ,‬כדי להפסיק את תהליך ההרפיה‪.‬‬ ‫ד‪.‬‬ ‫ראו תשובה לשאלה מקיץ ‪ ,1989‬סעיף ה'‪.‬‬ ‫לפניך רשימה של ‪ 8‬מתכות‪ .‬הסבר בקצרה את התכונות‪ ,‬את ההרכב )המקורב( ואת השימוש של‬ ‫כל המתכות האלה‪) :‬א( ברזל; )ב( פלדת פחמן; )ג( פלדת אל‪-‬חלד; )ד( פלדה מהירת חיתוך‬ ‫)‪) ;(high speed steel‬ה( ארד; )ו( חמרן )אלומיניום(; )ז( מתכת לבנה )‪) ;(white metal‬ח(‬ ‫ברזל יציקה‪] .‬קיץ ‪[1994‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫ברזל )‪ (Fe‬הוא יסוד מתכתי‪ ,‬המופק מעפרות ברזל ומשמש לייצור פלדות ויצקת ברזל‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית ‪ /‬מטלורגיה )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 1‬מתוך ‪5‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫ב‪.‬‬ ‫פלדת פחמן )‪ (carbon steel‬היא סגסוגת של ברזל ופחמן‪ ,‬שתכולת הפחמן בה אינה עולה‬ ‫על ‪ .2%‬היא מכילה בנוסף לכך גם תוספות כמו מנגן‪ ,‬כרום‪ ,‬ניקל‪ ,‬זרחן וגופרית‪ .‬תכונות‪:‬‬ ‫פלדות מעל ‪ 0.5%‬פחמן ניתנות לחיסום; הקושיות עולה עם עליית אחוז הפחמן; החוזק עולה‬ ‫עם עליית אחוז הפחמן אבל יורד שוב בפלדות מעל ‪ ;1%‬קורוזיה מהירה; נוחיות עיבוד פלסטי‬ ‫ושבבי; התאמה לכל סוגי הריתוך‪ .‬פלדות פחמן נחלקות לארבע קבוצות לפי תכולת הפחמן‪:‬‬ ‫‪ (1‬נמוכה )עד ‪ ,(0.30%‬משמשות כפלדות מבנים )פחים‪ ,‬פרופילים‪ ,‬חוטים‪ ,‬צינורות(;‬ ‫‪ (2‬בינונית )‪ ,(0.30-0.60%‬משמשות לייצור חלקי מכונות )גלי ארכובה‪ ,‬גלגלי שיניים‪ ,‬צירים‬ ‫וכו'(;‬ ‫‪ (3‬גבוהה )‪ ,(0.60-1.00%‬משמשות לייצור קפיצים‪.‬‬ ‫‪ (4‬גבוהה מאוד )‪.(1.25-2.00%‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫פלדת אל‪-‬חלד )נירוסטה( מכילה ‪ 18%‬כרום‪ 8% ,‬ניקל‪ 0.12% ,‬פחמן והיתר ברזל‪ .‬תכונתה‬ ‫החשובה ביותר היא עמידות בפני חלודה וקורוזיה‪ .‬משמשת לייצור צנרת‪ ,‬שסתומים‪ ,‬חלקי‬ ‫מכונות וכלי קיבול בעיקר בתעשיית המזון ובתעשייה הכימית‪.‬‬ ‫ד‪.‬‬ ‫פלדת היי‪-‬ספיד )‪ (high-speed steel, HSS‬היא פלדת מסג משובחת‪ ,‬המכילה טונגסטן‪,‬‬ ‫ואנאדיום‪ ,‬מוליבדן וכרום‪ .‬תוספות אלה מגדילות את חוזקה וקושיותה של הפלדה גם‬ ‫בטמפרטורות עבודה גבוהות )למעלה מ‪ ,(6000C-‬ולכן היא משמשת לייצור כלי שיבוב‬ ‫)מקדחים‪ ,‬מברזים‪ ,‬מחרוקות‪ ,‬מקדדים‪ ,‬כרסומים וכו'(‪ .‬הטונגסטן )או המוליבדן( והוואנאדיום‬ ‫הם התורמים להגדלת קושיותה של הפלדה‪.‬‬ ‫ה‪.‬‬ ‫ארד )ברונזה( היא סגסוגת של נחושת ובדיל‪ ,‬המכילה גם תוספות כמו עופרת‪ ,‬אלומיניום‪,‬‬ ‫סיליקון‪ ,‬מנגן‪ ,‬ניקל וברזל‪ .‬בעלת טמפרטורת התכה נמוכה יחסית ונוחה מאוד ליציקה‪ .‬עמידה‬ ‫בקורוזיה‪ ,‬בעיקר של מי‪-‬ים‪ ,‬בעלת מוליכות טובה של חום וחשמל‪ .‬רכה וחלשה מפלדה‪,‬‬ ‫וכבדה ממנה‪ .‬בעלת מקדם חיכוך נמוך‪ ,‬ולכן מתאימה כמתכת למיסבים במהירות ציר קטנה‪.‬‬ ‫מברונזה מייצרים גופי משאבות וחלקיהן‪ ,‬שסתומים‪ ,‬מחליפי חום‪ ,‬תותבי מיסוב‪ ,‬כלי עבודה‬ ‫שלא מייצרים ניצוץ עקב חיכוך או הקשה‪.‬‬ ‫ו‪.‬‬ ‫אלומיניום‪ ,‬כמעט טהור‪ ,‬משמש כמתכת בסיס ליצירת סגסוגות קלות בתוספת כמויות קטנות‬ ‫של נחושת‪ ,‬מגנזיום‪ ,‬ברזל‪ ,‬מנגן‪ ,‬אבץ‪ ,‬כרום וטיטניום‪ .‬לאלומיניום משקל סגולי נמוך‪ ,‬הוא רך‬ ‫וחלש‪ ,‬מוביל טוב של חום וחשמל‪ ,‬ניתן ליציקה ולריתוך‪ ,‬נוח לעיבוד שבבי‪ ,‬לא מגנטי‪ .‬מגדילים‬ ‫את קושיו וחוזקו על ידי תוספת נחושת‪ ,‬מגנזיום וכו'‪ .‬משמש כחומר בנייה )פרופילים ופחים(‪,‬‬ ‫כלי קיבול‪ ,‬חוטי חשמל‪ ,‬מרכיב בסגסוגות‪.‬‬ ‫ז‪.‬‬ ‫מתכת לבנה )‪ (white metal, babbit‬היא סגסוגת על בסיס בדיל )‪ ,(85-88%‬המכילה גם‬ ‫אנטימון )‪ ,(8-10%‬נחושת )‪ (4-5%‬וקדמיום‪ .‬היא בעלת מקדם חיכוך נמוך‪ ,‬ומשמשת לציפוי‬ ‫מסבי החלקה בעלי סיכה הידרודינמית‪ ,‬בעיקר מסבים ראשיים ומסבי ארכובה‪ .‬קיימת גם‬ ‫מתכת לבנה על בסיס עופרת‪.‬‬ ‫ח‪.‬‬ ‫יצקת ברזל )‪ (cast iron‬היא סגסוגת של ברזל ופחמן‪ ,‬שתכולת הפחמן בה עולה על ‪2%‬‬ ‫)בד"כ עד ‪ .(4%‬כמו כן היא מכילה כמויות קטנות של צורן )סיליקון(‪ ,‬מנגן וזרחן‪ .‬תכונותיה‪:‬‬ ‫בעלת חוזק ללחיצה גבוה משל פלדה‪ ,‬שבירה‪ ,‬עמידה טוב יותר בקורוזיה מפלדה רגילה‪,‬‬ ‫בעלת מקדם חיכוך נמוך בשל נוכחות פחמן חופשי )גרפיט( בין גבישי המתכת‪ ,‬נוחה לעיבוד‬ ‫שבבי‪ ,‬אינה נוחה לריתוך חשמלי או אוטוגני‪ .‬משמשת ליציקת ראשי צילינדרים ושרוולי‬ ‫צילינדרים במנועי דיזל‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית ‪ /‬מטלורגיה )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 2‬מתוך ‪5‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫כיצד בודקים חוזק וקשיות בפלדות‪ .‬איך ניתן לשפר את התכונות האלו? ]קיץ ‪[1990‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫על אופן בדיקת החוזק והקושיות של פלדות ראו תשובה לשאלה מקיץ ‪.1989‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫שיפור הקושיות והחוזק של פלדות נעשה על ידי הוספת יסודות מתכתיים מסוימים‪ ,‬כמו צורן‬ ‫)קושיות וגמישות(‪ ,‬מנגן )קושיות וחוזק‪ ,‬התנגדות לשחיקה(‪ ,‬כרום )חוזק בטמפרטורות‬ ‫גבוהות(‪ ,‬מוליבדן )חוזק וקושיות ועמידות טובה לחום( וונדיום )קושיות וצמיגות בייצור כלי‬ ‫עבודה(‪.‬‬ ‫תאר בדיקות שונות לחוזק‪ ,‬קושי והתעייפות המתכת‪ .‬תאר את תהליכי החיסום‪ ,‬הריכוך וההרפיה‬ ‫בפלדה ובנחושת‪] .‬קיץ ‪[1989‬‬ ‫הערה‪ :‬השרטוטים הסכמתיים לא נדרשו בשאלה‪ ,‬אך נוספו לשם הבהרת הכתוב‪.‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫מבחן מתיחה )‪ (tensile test‬מודד את חוזקו של חומר ואת משיכותו )‪ .(ductility‬דוגמת‬ ‫החומר הנבדק נמתחת בהדרגה במכשיר הידראולי‪ .‬רושמים את מידת התארכותה בכל אחד‬ ‫מהעומסים‪ ,‬ומחשבים את העיבור )‪ ,(strain‬שהוא היחס בין מידת ההתארכות לבין האורך‬ ‫ההתחלתי‪.‬‬ ‫ממשיכים למתוח את החומר עד אשר מגיעים לנקודת הכניעה )‪ ,(yield point‬המציינת את גבול‬ ‫האלסטיות שלו‪ .‬עד נקודה זו החומר מתנהג בצורה אלסטית‪ ,‬כך שאם נסיר את העומס הפועל‬ ‫עליו הוא יחזור למידותיו ההתחלתיות‪ .‬מעבר לנקודת הכניעה החומר מתנהג בצורה פלסטית‪,‬‬ ‫הוא מתארך ואינו חוזר למידותיו ההתחלתיות‪ .‬כאשר מגיעים למאמץ מתיחה סופי ) ‪ultimate‬‬ ‫‪ ,(tensile stress‬שטח החתך של דוגמת החומר קטן ומקבל צורת צוואר‪ .‬מנקודה זו נמשכת‬ ‫התארכות החומר ללא תוספת מאמץ‪.‬‬ ‫מאמץ המתיחה הסופי הוא היחס בין העומס המקסימלי לבין שטח החתך ההתחלתי של‬ ‫החומר‪ ,‬והוא נמדד ביחידות ‪ .MN/m2‬החוזק הסופי למתיחה )‪(ultimate tensile strength‬‬ ‫הוא היחס בין העומס הגורם לקריעת החומר לבין שטח החתך ההתחלתי שלו‪ ,‬ונמדד באותן‬ ‫יחידות‪.‬‬ ‫נקודת הכניעה )גבול האלסטיות(‬ ‫קריעה‬ ‫מאמץ )‪(stress‬‬ ‫מאמץ מתיחה סופי‬ ‫התנהגות פלסטית‬ ‫התנהגות אלסטית‬ ‫עיבור )‪(strain‬‬ ‫גרף מאמץ‪-‬עיבור )‪(stress-strain‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫בדיקת קושיות מודדת את מידת התנגדותו של חומר לדפורמציה פלסטית‪ .‬מתקן הבדיקה‬ ‫מורכב מצילינדר הידראולי‪ ,‬לתוכו מוכנס שמן בלחץ על ידי משאבה‪ .‬הלחץ מועלה עד אשר‬ ‫הבוכנה העליונה‪ ,‬הנושאת משקולת סטנדרטית‪" ,‬צפה" על השמן‪ .‬הבוכנה התחתונה אוחזת‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית ‪ /‬מטלורגיה )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 3‬מתוך ‪5‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫בכדורית פלדה בקוטר ‪ ,10 mm‬הלוחצת על דוגמת החומר‪ .‬העומס למדידת קושיות של‬ ‫פלדות הוא ‪ ,3000 kg‬ונותנים לו לפעול למשך ‪ 15‬שניות‪.‬‬ ‫מודדים את קוטר השקע שנוצר באמצעות מיקרוסקופ מיוחד‪ ,‬ומאחר שיודעים את קוטר‬ ‫הכדורית‪ ,‬ניתן לחשב את שטח השקע‪ .‬מידת הקושיות נקראת ‪,Brinell Hardness number‬‬ ‫והיא מחושבת על ידי חלוקת העומס )‪ 3000 kg‬לפלדות‪ 1000 kg ,‬לנחושת ו‪500 kg-‬‬ ‫לאלומיניום( בשטח השקע )‪ .(mm2‬עובי דוגמת החומר צריך להיות פי ‪ 10‬לפחות מעומק‬ ‫השקע‪.‬‬ ‫משקולת )עומס(‬ ‫בוכנה עליונה‬ ‫לחץ שמן‬ ‫בוכנה תחתונה‬ ‫כדורית פלדה‬ ‫דוגמת החומר‬ ‫תרשים סכמתי של מתקן לבדיקת למבחן קושיות ‪Brinell‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫מבחן התעייפות )‪ (fatigue test‬מודד את אנרגיית השבירה של חומר כתוצאה מהפעלת‬ ‫מאמצים תנודתיים )‪ (fluctuating stresses‬בלתי פוסקים‪ .‬המבחן הנפוץ ביותר מודד את‬ ‫אנרגיית השבירה של החומר כתוצאה ממאמצי כפיפה תנודתיים‪ .‬דוגמת החומר מהודקת‬ ‫בצדה האחד לתפסנית‪ ,‬ומונעת בתנועה סיבובית על ידי מנוע חשמלי‪ .‬לקצה השני של דוגמת‬ ‫החומר מורכב מסב ואליו מחוברת משקולת‪ .‬כשמפעילים את המנוע החשמלי‪ ,‬סובל החומר‬ ‫מאמץ כפיפה הפוך בכיוונו בכל סיבוב‪ .‬את מספר מחזורי הכפיפה מודדים באמצעות מונה‬ ‫סיבובים‪ ,‬ואת העומס ניתן לשנות על ידי החלפת המשקולת‪ .‬באמצעות בדיקה זו קובעים את‬ ‫גבול ההתעייפות )‪ (fatigue limit‬של החומר‪ ,‬כלומר את גודל המאמץ התנודתי המקסימלי‬ ‫שהוא יכול לשאת מבלי להישבר‪ .‬יחידות המידה הן ‪.MN/m2‬‬ ‫דוגמת החומר הנבדק‬ ‫מסב‬ ‫עומס‬ ‫תפסנית‬ ‫מנוע חשמלי‬ ‫שרטוט סכמתי של מבחן התעייפות‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית ‪ /‬מטלורגיה )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 4‬מתוך ‪5‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫ד‪.‬‬ ‫חיסום )‪ (hardening‬פלדה הוא טיפול תרמי‪ ,‬שנועד להגדיל את קושיותה ואת חוזקה‬ ‫למתיחה‪ .‬הדבר נעשה על ידי חימומה לטמפרטורה של ‪ 8500C‬עד ‪ ,9500C‬וצינונה‬ ‫)‪ (quenching‬במהירות מיד אחר כך על ידי טבילה בשמן או במים‪.‬‬ ‫נחושת מתחסמת כאשר היא מעובדת בקר על ידי כיפוף או הקשה‪ .‬כאשר מכופפים‪ ,‬למשל‪,‬‬ ‫צינור נחושת‪ ,‬נפגם המבנה הגבישי הרך של המתכת והיא מתקשה‪ .‬כיפוף נוסף‪ ,‬בכיוון הנגדי‪,‬‬ ‫יגרום לשבירת הצינור‪ .‬ניתן לסלק פגמים אלה על ידי ריכוך‪.‬‬ ‫ה‪.‬‬ ‫ריכוך )‪ (annealing‬פלדה מושג על ידי חימומה לטמפרטורה של ‪ 8500C‬עד ‪ 9500C‬וצינונה‬ ‫באיטיות ובצורה מבוקרת בתנור‪ .‬התוצאה המתקבלת היא פלדה רכה יותר ומשיכה יותר‪.‬‬ ‫ריכוך נחושת נעשה על ידי חימומה לטמפרטורה של ‪) 700-8000C‬טמפ' ההיתוך של נחושת‬ ‫היא ‪ ,(10830C‬וצינונה במהירות במים קרים‪ .‬פעולה זו מסלקת פגמים במבנה הגבישי של‬ ‫המתכת‪ ,‬הנוצרים כתוצאה מחיסום קר‪ .‬ניתן לבצע ריכוך פעמים רבות‪.‬‬ ‫ו‪.‬‬ ‫הרפיה )‪ (tempering‬של פלדה היא סוג של טיפול תרמי הנעשה לאחר חיסום‪ .‬מטרתה‬ ‫להקטין את הפריכות )שבירות( של החלק המחוסם‪ .‬מחממים את הפלדה מחדש‪,‬‬ ‫לטמפרטורה נמוכה מטמפרטורת החיסום‪ ,‬עד כ‪ .6800C-‬לאחר החימום מצננים שוב את‬ ‫המתכת במהירות במים או בשמן‪ ,‬כדי להפסיק מיד את תהליך ההרפיה‪ .‬ככל שטמפרטורת‬ ‫החימום מחדש גבוהה יותר‪ ,‬הפלדה פחות מתיחה‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית ‪ /‬מטלורגיה )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 5‬מתוך ‪5‬‬