Строительные материалы и изделия

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХ

6.1. Общие сведения

Из 106 известных элементов Периодической системы хими­ческих элементов Д. И. Менделеева 76 являются металлами. Все ме­таллы и их сплавы — тела кристаллические. Кристаллы в них име­ют размеры 10"1... 10 5 см. Внешние электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром и поэтому находятся в относительно сво­бодном состоянии. Достаточно создать ничтожную разность по­тенциалов, чтобы началось движение электронов к положитель­ному полюсу. Поэтому металлы — хорошие проводники электри­ческого тока. Неметаллы, у которых связь между внешними элек­тронами и ядром достаточно сильная, не проводят электрический ток. Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окру­женных отрицательно заряженными электронами, которые сво­бодно перемещаются внутри металла и принадлежат сразу всем атомам в совокупности. Такие электроны называются обобществ­ленными, или электронами проводимости.

Благодаря электронам проводимости — их способности пере­носить не только электрический заряд, но и теплоту — теплопро­водность металлов на два порядка выше теплопроводности неме­таллов. Высокая пластичность металлов также обусловлена элект­ронами проводимости, связь которых с ионами кристаллической решетки не нарушается при деформации (в отличие от ионной и ковалентной связей).

Чистые металлы обладают низкой прочностью и твердостью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они при­меняются редко. Наиболее широко используются сплавы, получае­мые в результате кристаллизации расплава, представляющего собой раствор нескольких металлов или металлов и неметаллов. Как чистые металлы, так и их сплавы подразделяются на черные и цветные.

Из применяемых в строительстве металлов к черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чугун); к цветным метал­лам относятся медь, алюминий, магний, титан, цинк и сплавы на их основе (бронза, латунь, авиаль, дюралюмин и др.).

Сталь и чугун — сплавы железа и углерода — различаются со­держанием углерода: сталь содержит до 2,14% углерода, чугун — более 2,14%, но не более 6,67 %.

Из-за высокого содержания углерода чугуны обладают низкой способностью к пластической деформации. Их высокие литейные свойства обусловлены наличием в структуре эвтектики.

Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельны­ми, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для получения стали и литейно­го чугуна.

В зависимости от формы углерода чугун подразделяется на бе­лый и серый.

Белый чугун содержит углерод в составе химического соедине­ния Fe3C (цементита) и имеет в изломе белый цвет. Из-за очень высокой твердости цементита он практически не поддается меха­нической обработке и используется в основном для получения стали.

Серый чугун, содержащий углерод в свободном состоянии (в виде графита), употребляется для получения изделий путем ли­тья.

Сталь, содержащая углерода значительно меньше, чем чугун, является более пластичной и вязкой и поддается ковке и штам­повке. Прочность стали превышает прочность бетона на сжатие более чем в 10 раз; на изгиб и растяжение — в 100 — 200 раз. В то же время плотность стали (7 850 кг/м3) только в 3 раза выше плотно­сти бетона (2 500 кг/м3), поэтому металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче железобетонных. Металлические элементы в конструкциях соединяются на болтах, заклепках и сваркой.

Высокая теплопроводность металлов требует принятия мер по предотвращению перетоков теплоты по металлическим элемен­там.

Металлические конструкции неогнестойки, что связано с лег­кой деформируемостью горячего металла. Для его защиты приме­няются окраски и обмазки, вспенивающиеся при возникновении пожара. Это обеспечивает задержку времени достижения крити­ческой температуры.

Металлические конструкции требуют также защиты от корро­зии.