СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее применение в строительстве имеет алюминий, обладающий высокой удельной прочностью, пла­стичностью, коррозионной стойкостью и экономической эффектив­ностью. Серебро, золото, медь, цинк, титан, магний, олово, свинец и другие используются главным образом как легирующие добавки и компоненты сплавов и имеют поэтому специальное и ограниченное применение в строительстве (специальные виды стекла, уникальные объекты — мемориалы на Мамаевом кургане в Волгограде, на По­клонной горе, обелиск в честь покорения космоса в Москве и другие, в которых большое применение нашли титан, медь, и их сплавы; за­порно-регулировочная арматура и устройства водопроводно­отопительных, электротехнических систем зданий и сооружений).

В чистом виде цветные металлы, как и железо, вследствие их малой прочности и твердости, применяются редко.

Алюминий — металл серебристого цвета, плотностью 2700 кг/м3 и температурой плавления 658 °С. Кристаллическая ре­шетка его — гранецентрированный куб с периодом 0,40412 нм. Ре­альные зерна алюминия, как и зерна железа, имеют блочное строе­ние и аналогичные дефекты — вакансии, межузельные атомы, дис­локации, мало - и большеугловые границы между зернами. Механи­ческие свойства отожженного алюминия высокой чистоты: ав=50МПа, о0,2 = 15 МПа; 8 = 50%, а технического алюминия (АДМ): ов= 80 МПа, ао,2= 30 МПа; 5 = 35%. Технический алюминий вследствие малой прочности в строительных конструкциях применя­ется редко. Повышение прочности достигается легированием Mg Mn, Си, Si, А1, Zn, а также пластическим деформированием (нагар - товкой), закалкой и старением. Все сплавы алюминия делятся на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы в свою очередь подразделяются на термически упрочняемые и неупрочняе - мые. К термически упрочняемым относятся сплавы Al-Mg-Si, А1- Cu-Mg, Al-Zn-Mg; термически неупрочняемым — технический алюминий и двукомпонентные сплавы А1-Мп и Al-Mg (магналии). Медь — основная легирующая добавка сплавов-дуралюминов, по­вышает прочность, но снижает пластичность и антикоррозионные свойства алюминия. Марганец и магний повышают прочность и ан­тикоррозионные свойства; кремний — жидкотекучесть и легкоплав­кость, но ухудшает пластичность. Цинк, особенно с магнием, увели­чивает прочность, но уменьшает стойкость к коррозии под напряже­нием. Для улучшения свойств алюминиевых сплавов в них вводят небольшое количество хрома, ванадия, титана, циркония и других элементов. Железо (0,3-0,7%) является нежелательной, но неизбеж­ной примесью. Соотношение компонентов в сплавах подбирается исходя из условий достижения ими после термической обработки и старения высокой прочности, обрабатываемости и коррозионной стойкости. Сплавы обозначаются марками, которые имеют буквен­ное и цифровое обозначение, характеризующее состав и состояние сплава: М — отожженный (мягкий); Н — нагартованный; Н2 — по- лунагартованный; Т — закаленный и естественно состаренный; Т1 — закаленный и искусственно состаренный; Т4 — не полностью за­каленный и искусственно состаренный. Нагартовка и полунагартов - ка характерны для термически неупрочняемых сплавов; закалка и старение — для термически упрочняемых.

Марки технического алюминия: АД, АД1 (А — алюминий, Д — сплав типа дуралюмина, 1 —характеризует степень чистоты алюми­ния — 99,3%; в марке АД — 98,8 А1); высокопрочного — В95, В96, ковочного — АК6, АК8 (цифры обозначают суммарное содержание

основных и дополнительных легирующих элементов в сплаве (%).

Марки термически неупрочняемых алюминиевых сплавов: АДІМ, АМцМ, АМг2М, АМг2Н2 (М — мягкий, Мц — марганец, Мг2 — магний при содержании в сплаве 2%).

Цифровое обозначение марок алюминиевых сплавов: 1915, 1915Т, 1925, 1935Т (первая цифра обозначает основу сплава — алю­миний; вторая — композицию компонентов; 0 — технически чистый алюминий, 1 — Al-Cu-Mg, 3 — Al-Mg-Si, 4 — Al-Mn, 5 — Al - Mg, 9 — Al-Mg-Zn; две последние — порядковый номер сплава в своей группе.

Основными видами термической обработки алюминиевых спла­вов является отжиг, закалка и старение (отпуск). Отжиг происходит без фазовых превращений и применяется для снятия остаточных на­пряжений, гомогенизации, рекристаллизации и возврата. В послед­нем случае происходит восстановление начальных физических и ме­ханических свойств сплава, снижение прочности, повышение пластичности и ударной вязкости, необходимые для технологических целей.

Медь в чистом виде имеет небольшую прочность и высокую пластичность: Св = 200-250 МПа, 5 = 30-35% (после прокатки и от­жига). Температура ее плавления 1083 °С. Она плохо обрабатывается резанием, но хорошо деформируется в холодном и горячем состоя­ниях. Широко распространены сплавы меди - латуни и бронзы.

Латунь — сплав меди с цинком. Предельная растворимость цинка в меди — 39%. Такой сплав представляет собой твердый рас­твор цинка в меди (a-фаза). При содержании цинка до 45% возника­ет вторая — р'-фаза. Двухфазные латуни более прочны и тверды, чем однофазные, но малопластичны. Марки латуней обозначают буквой Л и цифрами, указывающими содержание меди в процентах. Меха­нические свойства одно - и двухфазных латуней: а — латуни (Л96) (том пак), Л80 (полутомпак) и Л70 — ав - 240-320 МПа, 5 = 50- 52%; а+ (3' — латуни — ов = 360-390 МПа, 5 = 44-49% (томпак в пер. с фр. — медь). Для улучшения свойств латуни подвергают хо­лодному и горячему деформированию, рекристаллизационному от­жигу при 500-700 °С (а-латуни) и легированию добавками Sn, Si, Мп, А1, Fe, Pb, повышающими прочность, коррозионную стойкость и антифрикционные свойства. Специальные латуни маркируют: ЛА77-2 (латунь, содержащая 77% Си, 2% А1 и 21% Zn). ЛАЖ60-1-1 (латунь, содержащая 60% Си, 1% А1, 1% Fe и 38% Zn). Они пред­ставляют собой однородные твердые растворы и поэтому весьма пластичны.

Бронзы — это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием и другими элементами.

Оловянистые бронзы представляют твердый раствор 4-5% олова в меди (a-фаза). При большем содержании олова пластичность и литейные свойства бронзы резко снижаются. Перед обработкой давлением их подвергают рекристаллизационному отжигу при 600- 650 °С. Для улучшения литейных свойств и повышения прочности в бронзу вводят до 1% фосфора. Бронзы, обрабатываемые давлением, имеют 0В = 350-400 МПа, 8 = 40-70% (после отжига) и о0.2 = 550- 800 МПа, 8 = 4-12% (после холодной деформации); бронзы для фа­сонного литья — ов = 150-180 МПа, 8 = 6-8%.

Алюминиевые и кремнистые бронзы имеют механиче­ские свойства, аналогичные оловянистым бронзам, но более деше­вые и стойкие в агрессивных средах. В промышленности используют только однофазные бронзы, обладающие высокими пластичными и литейными свойствами.

Бериллиевые бронзы содержат 2-2,5%Ве и обладают наи­лучшими свойствами из всех известных бронз. После закалки при 760-780 °С и старении при 300-350 °С механические свойства ее составляют: ав= 1300-1350 МПа, 8 = 1,5%, НВ 4000.

Свинцовые бронзы содержатдо30% Р и не образуют твер­дых растворов свинца в меди. Они склонны, как и оловянистые бронзы, к ликвации, имеют невысокую прочность (ов = 60 МПа), пластичность (8 = 4%) и хорошие антифрикционные свойства. Мар­кируют все бронзы аналогично латуням. Например, БрОЦСНЗ-7-5- 1 —оловянистая бронза, содержит 3% Sn, 7% Zn, 5% Pb, 1% Ni и 84% Cu; БрАЖНІ 0-4—4 — алюминиевая бронза, содержит 10% А1, 4% Fe, 4% Ni и 82% Си.

Титан — металл серебристо-белого цвета, плавится при 1665±5 °С. Существует в двух модификациях: а-титан до 882 °С (плотность 4505 кг/м3), кристаллизующийся в гексагональной решетке, и [3-титан при температуре 900 °С и более (плотность 4320 кг/м3), кристалли­зующийся в объемно-центрированной кубической решетке с перио­дом 0,33132 нм. На поверхности титана легко образуется прочная ок­сидная пленка, защищающая его от коррозии во всех средах, кавита­ционной коррозии и коррозии под напряжением.

Технический титан марок ВТ1-00, ВТ1-0 и ВТ1-1 имеет невы­сокую прочность, пластичен (ав = 300-350 МПа, 8 = 20-30%), хоро­шо обрабатывается давлением и сваривается. Примеси N, С, О и Н ухудшают антикоррозионные свойства, пластичность и сваривае­мость титана; охрупчивают (особенно водород) и повышают его прочность и твердость. Для улучшения механических и технологи­ческих свойств титана его легируют добавками Al, Mo, V, Мп, Сг, Sn, Fe, Zn, Si. Различают а-сплавы и а+р-сплавы титана. Первые представляют собой твердый раствор легирующих элементов (А1 — основной, Sn, Zn и Mo, Fe, Сг) в а-титане. Они не упрочняются тер­мообработкой и подвергаются только рекристаллизационному отжи­гу при 780-850 °С. а+Р-сплавы состоят из а - и Р твердых растворов и содержат кроме А1 2-4% Сг, Mo, Fe (стабилизаторов Р-титана), а+р - сплавы упрочняются закалкой и старением. При закалке происходит мартенситное превращение и образуется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в а-титане. При старении происхо­дит распад мартенситных фаз и остаточной P-фазы, сопровождаю­щийся упрочнением сплава. Наиболее распространенные а-сплавы, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 имеют следующие показатели: ов=700-950 МПа, 8 = 12-25%, KCU = 0,4-0,9 мДж/м2; а+р-сплавы ВТ6, ВТ8, ВТ14 — ав = 950-1400 МПа, 5 = 8-15%, KCU = 0,3-0,8 МДж/м2. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, свариваются и противостоят коррозии.