Металлические материалы и изделия

Чёрные металлы это сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в различном количестве и другие химические элементы (кремний, сера, марганец, фосфор и др.), придающие металлам особые свойства. Добавки, улучшающие свойства металла (никель, хром, медь и др.) называются легирующими.

Литейные чугуны используются для литья фасонных отливок. Углерод в таком чугуне находится в свободном состоянии в виде графита, который образуется в результате распада хрупкого цеменита, такой чугун в изломе даёт серый цвет, поэтому называется серый чугун.

Передельный чугун (такого 80%) используется для производства стали. В структуре этого чугуна преобладает цеменит – твёрдое и хрупкое соединение. На изломе такой чугун имеет серебристый цвет и называется поэтому белым.

Специальный чугун (доменные ферросплавы) содержит кремний, марганец и используется, как добавка при производстве стали. Чугуны обладают высокими литейными свойствами, стойки перед коррозией, поэтому из чугуна льют чугунные канализационные трубы, санитарно-технические изделия – мойки, ванны, радиаторы отопления. Из серого литейного чугуна льют тюбинги для крепления туннелей, башмаки под колонны, опорные части железобетонных ферм и балок.

Сталь имеет лучшие механические свойства, чем чугун. Для производства стали используют шихту, куда входят передельный чугун и стальной лом, а также шлакообразующие вещества (флюсы), раскисляющие и легирующие добавки.

В начале плавки передельного чугуна в нём получают оксид железа путём окисления железа кислородом, продувая воздух через расплавленный чугун или вводя в печь железную руду или металлолом.

В результате происходят следующие реакции:

FeO + C = Fe + CO FeO2 + Mn = Fe + MnO2 FeO2 + Si = Fe + SiO2 5FeO + 2P = 5Fe + P2O5

Эти реакции происходят с выделением тепла, соединения кремния и марганца, обладая меньшей плотностью, чем железо, всплывают на поверхность, а затем удаляются. Оксид углерода СО поднимается в виде газа и улетучивается. Для удаления фосфора и серы добавляют раскислитель оксид кальция CaO.

При разливке стали происходит реакция:

FeO + C = Fe + CO

Поэтому при разливке стали её поверхностный слой «кипит» выделяется оксид углерода СО. Полностью раскисленную сталь называют спокойной (марка «СП»), частично – полуспокойной (марка «ПС») и мало раскисленную – кипящей (марка «К»). Например, сталь Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп.

При испытании стали на растяжение деформации у стали пропорциональны напряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется «пределом пропорциональности» (остаточная деформация не должна превышать 0,05%).

При дальнейшем повышении напряжения, начинает проявляться быстрый рост деформаций при небольшом подъёме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют «пределом текучести».

Относительное удлинение стали E, в момент разрыва, характеризует её пластичность. Оно рассчитывается по формуле:

E = (L1 – Lo /Lo) x 100, (5.1)

где Lo – начальная длина образца; L1 длина образца в момент разрыва.

Испытание на растяжение является основным при оценке свойств стали. Модуль упругости стали составляет 2,1 х 10 МПа. Кроме того, свойствами стали являются твёрдость, которая определяется на твёрдометрах Бринелля (НВ) или Роквелла (НR) по величине вдавливания индентера (закалённого шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Её вычисляют в МПа. Твёрдость поверхности можно повышать специальной обработкой (например, цементацией – насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

Ударная вязкость зависит: от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так у Ст3 ударная вязкость при +20 °С составляет 0,5 – 1 МДж/м2, а при 20 °С – 0,30,5 МДж/м . С помощью технологических испытаний обнаружена способность стали принимать определённые деформации, аналогичные эксплуатационным.

Для строительных сталей производят пробу на холодный изгиб. Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высокая и составляет около 70 Вт/(м ∙°С). Коэффициент линейного термического расширения стали составляет 10 К.

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании в ней происходят полиморфные превращения., приводящие к снижению прочности. Это уже заметно при температуре 200 °С, а при 500600 °С сталь становится мягкой и резко теряет прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходимо защищать от огня, например, покрытием цементными растворами.

Все выше перечисленные свойства стали необходимо учитывать при применении её в строительных конструкциях и изделиях. По содержанию углерода сталь может быть низко, средне и высокоуглеродистой. Углеродистые стали – нелегированные. По назначению углеродистые стали разделяются на конструкционные и инструментальные. В строительстве используются конструкционные обычные стали группы А,Б,В (по условиям поставки).

Сталь группы А поставляют потребителям по механическим свойствам: пределам прочности и текучести, относительному удлинению, способности к изгибу в холодном состоянии. Эта сталь имеет марки от Ст0 до Ст6 по мере возрастания прочности стали и уменьшения её пластичности.

Сталь марок от 1 до 4 выпускают кипящей (например: Ст3кп), а марок 5 и 6 спокойной и полуспокойной (например Ст5сп, Ст6пс). Марка стали с повышенным содержанием марганца имеет букву Г (например: Ст5Г). Сталь марки Ст0 содержит углерода не более 0,23%, Ст3 от 0,14 до 0,22%, а Ст6 – от 0,38 до 0,49%.

Сталь группы Б и В изготавливают тех же марок, что и сталь А, но впереди марки ставят букву Б или В (например: БСт5сп). Для группы А букву впереди марки не ставят. В обозначение всех марок стали вводят также цифры от 1 до 6, характеризующих категорию стали. Категория определяет совокупность механических или химических свойств стали.

Стали наиболее пластичные Ст1, Ст2 применяют в конструкциях резервуаров, трубопроводов, для заклёпок. Из сталей Ст3, Ст4, Ст5 изготавливают строительные конструкции, арматуру, листовой и профильный прокат.

Легированные стали кроме железа, углерода и нормальных примесей содержат легирующие элементы, например: хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства. К легирующим элементам относят марганец и кремний, если их содержание в стали превышает 1%.

Стали, применяемые для изготовления арматуры легируются марганцем, кремнием и хромом. Марганец и кремний увеличивают прочность стали, но снижают ударную вязкость. Хром и никель повышают прочность и ударную вязкость.

По химическому составу различают низко, средне и высоколегированную сталь. По назначению легированные стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Для обозначения марок легированной стали по ГОСТу, используют буквенно-цифровую систему.

Наконец цифры, стоящие за буквами, указывают содержание легирующего элемента в %, округлённую, по правилам математики. Например: 20ХГ2С означает: легированная сталь с содержанием углерода 0,20%, хрома – менее 1%, марганца – 2%, кремния менее 1%.

В строительстве наиболее часто применяют низколегированные конструкционные стали с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%. Их подразделяют на стали для металлоконструкций и стали для арматуры. Содержание углерода в низколегированных сталях не должно превышать 0,2%, иначе понижается пластичность стали, коррозионная стойкость и ухудшается свариваемость стали.

Сталь для металлоконструкций обладает высокой пластичность и ударной вязкостью при любых температурах. Основная характеристика такой стали – предел текучести 350 МПа (у углеродистых сталей этот показатель не превышает 225 МПа).

Сталь для армирования должна обладать хорошей свариваемостью, высокой прочностью и быть достаточно пластичной. Это стали марок 10ГТ, 18Г2С, 25Г2С, 35ГС, 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2Г2Т, 20Х2Г2СР. К цветным (не железным) относятся все металлы, кроме железа. Чаще всего в строительном производстве используют сплавы на основе алюминия, меди, цинка и титана.

Металлы в производстве очень технологичны, их можно получать индустриальными методами: прокатом, волочением, штамповкой и др. Металлические изделия и конструкции можно соединять друг с другом с помощью заклёпок, болтов, сварки.

Однако металлы имеют и недостатки: с точки зрения применения их в строительном производстве металлы очень теплопроводны, сильно подвержены воздействию внешней агрессивной среды, коррозии, а под воздействием огня металлоконструкции теряют свою устойчивость, деформируются. Поэтому применение металлов в строительном производстве должно быть экономически обосновано.

Алюминий и его сплавы. Алюминий – лёгкий металл серебристого цвета плотностью 2700 кг/м3. В чистом виде алюминий мягок и пластичен, хорошо отливается, прокатывается. Температура плавления 657 ºС. Алюминий обладает повышенной стойкостью к коррозии, имеет высокую тепло – и электропроводность. Предел прочности 90120 МПа, относительное удлинение 2030%.

Алюминий применяются в строительстве для отливки деталей, для изготовления проводов, оконных и дверных блоков, алюминиевую пудру как газообразователь для изготовления ячеистого бетона, порошок для изготовления краски. Фольга используется в утеплителях для отражения тепловых лучей. Путём анодного оксидирования получают архитектурные детали различной расцветки.

В строительстве используют сплавы алюминия, в которые входят медь, магний, марганец, кремний, железо. Этот сплав называется дюралюминий. Он имеет предел прочности более 100 МПа. Из него изготавливают трубы, гнутые и прокатные профили, волнистые кровельные листы, элементы наружной облицовки зданий, стеновые трёхслойные «сэндвич» панели с утеплителем.

Медь и её сплавы. Медь – красный металл плотностью 8800кг/м3, температурой плавления 1083 ºС, предел прочности при растяжении 200 МПа, относительное удлинение 3060%. Медь – мягкий пластичный металл хорошо проводит электричество и теплоту. Сплав меди с цинком (до 50%) – латунь, меди с оловом (до 10%) – бронза.

В строительстве также используют цинк в качестве антикоррозионного покрытия элементов кровли и металлоконструкций, а также крепёжных изделий. Свинец используют для защиты от радиации, для чеканки труб. Олово используют как припой при производстве паяльных и лудильных работ. Титан используют для строительства уникальных сооружений.