Строительные материалы и изделия

Общие сведения о металлах и сплавах

Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две группы: черные и цветные.

• Черные металлы представляют собой сплав железа с угле­родом. Кроме углерода черные металлы в небольшом количе­стве могут содержать кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы. Для придания черным металлам специфи­ческих свойств к ним добавляют некоторые так называемые ле­гирующие вещества — медь, никель, хром и др. Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун представляет собой сплав железа и углерода 2...4,3%. В специальных чугунах — ферросплавах — количество углерода может достигать 5% и более. Присутствующие в чугуне крем­ний, марганец, фосфор и сера существенно влияют на его свой­ства: сера и фосфор повышают хрупкость чугуна, а специальная присадка хрома, никеля, магния, алюминия и кремния придает чугуну более высокие жаростойкость, износостойкость, повышен-

ю сопротивляемость коррозии. Чугуны с добавкой указанных еществ называются легированными. В зависимости от формы, в которой углерод находится в чугуне, различают чугуны серые (литейные) и белые (передельные). В серых чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита, а в белом — в связанном состоянии в виде цемента. Пластинки графита, перерезающие металлическую структуру чугуна, понижают его прочность. Модифицированный серый чугун имеет более высокие механические свойства благодаря шаровидной и раздробленной форме графита.

Сталь содержит углерода до 2%. В отличие от чугуна — хруп­кого металла — сталь пластична, упруга и обладает высокими технологическими свойствами (способностью обрабатываться). В зависимости от назначения различают стали конструкцион­ные, содержащие 0,02...0,85% углерода, и инструментальные — 0,65...1,4%. Конструкционные стали, применяемые для строитель­ных конструкций и арматуры железобетона, а также в машино­строении, обладают хорошей пластичностью, низкой хрупкостью. Повышение же углерода в инструментальных сталях придает им высокую твердость и хрупкость.

Механические и физические свойства сталей (жаростой­кость, износостойкость, коррозионная стойкость) повышаются добавкой к ним никеля, хрома, вольфрама, молибдена, кобальта, меди, алюминия и др., называемых легирующими веществами, а стали — легированными. В зависимости от величины легирую­щих добавок различают стали низколегированные, содержащие до 2% легирующих веществ, среднелегированные — 2...10% и высоколегированные — более 10%. Строители широко приме­няют низколегированную сталь. Нержавеющая сталь является высоколегированной.

• Цветные металлы и сплавы подразделяются по плотности на легкие и тяжелые. К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния, а к тяжелым — на основе меди, никеля, олова, свинца. За последние годы в технологии металлургии внедрены новые усовершенствования: освоен эффективный метод вакуумной обработки живой стали; получены новые виды высо­копрочных сталей и чугунов; разработана эффективная техно­логия получения алюминия из нефелинов; освоены новые виды облегченного проката, гнутого из лент и полос, диффузионный метод сварки металлов в вакууме, легирование с вакуумной обработкой, широко развивается порошковая металлургия.

В двенадцатой пятилетке будет ускоренно развиваться про­изводство холоднокатаного листа, проката с упрочняющей тер­мической обработкой и из низколегированных сталей, листа и жести, фасонных и высокопрочных профилей проката, эконо­мичных и специальных видов стальных труб и арматуры из низ­колегированной стали и др.

• Строение металлов и их свойства. Металлы и металлические сплавы представляют собой кристаллические тела, состоящие из
бесчисленного множества кристаллических образований, груцПи рующихся В виде отдельных прочно связанных между собой зерен. Большинство ИХ имеет кубическую объемно центриро ванную (хром, ванадий, молибден, вольфрам и некоторые дру' гие) и кубическую гранецентрированную решетки (алюминий медь, никель, свинец, ЗОЛОТО И серебро). Железо может быть в нескольких кристаллических формах с различным расположе­нием атомов. Это явление называется аллотропией. Аллотропи­ческие превращения железа наблюдаются при изменении темпе­ратуры. Железо из расплавленной массы кристаллизуется в форме решетки объемно центрированного куба (рис. 9.1, /) 6-модификация железа; при охлаждении до температуры 1390°С она перекристаллизовывается в решетку гранецентрированного куба (рис. 9.1,2) —ум°Дификация железа, а при 898°С снова образует решетку объемно центрированного куба [5- и а-моди - фикации. Аллотропия железа имеет большое значение в процес­сах горячей механической и термической обработки чугуна и стали. Главную роль при этом играют а и ^-модификации желе­за. Регулируя закалкой, отжигом и другими способами содер­жание этих модификаций в сталях, придают им заданные меха­нические свойства.

При затвердевании расплава металла вначале образуются мельчайшие кристаллы правильной формы, затем, по мере охлаждения, они увеличиваются в размерах и срастаются между собой в виде деформированных неправильной внешней формы кристаллов, называемых кристаллитами. Их хорошо видно под микроскопом.

Физические свойства металлов и сплавов характеризуются цветом, плотностью, температурой плавления, теплопроводно­стью, коэффициентом температурного расширения.

Плотность большинства металлов превышает 7000 кг/м3, а плотность легких металлов (алюминия, бериллия, магния) менее 3000 кг/м3. Чем меньше плотность металла, тем легче и эффективнее оказываются строительные конструкции из него. Вот почему конструкции из сплавов на основе алюминия все шире применяются в строительстве.

Температуру плавления металлов важно знать для выбора режима горячей обработки металлов и получения изделий литьем. Температура плавления металла изменяется при добавке к нему других веществ. Большинство сплавов, например на
основе железа, имеют температуру плавления ниже, чем входя­че в их состав металлы. Однако некоторые сплавы цветных металлов, например никеля и алюминия, имеют более высокую температуру плавления, чем чистый никель и алюминий. Изме­нение температуры плавления металла от содержания в нем дру­гих веществ характеризуется диаграммой состояния.

Расширение металлов при нагревании характеризуется коэффициентом линейного и объемного расширения. Это свой­ство металла необходимо учитывать при проектировании метал­лических строительных конструкций, так как последние под действием изменяющейся температуры могут вызвать разруше­ние сооружения. Важно учитывать это свойство металла при сварке, так как в результате местного нагрева свариваемых деталей может произойти образование трещин. Способность металла удлиняться при нагревании эффективно используется при производстве предварительно напряженных железобетонных изделий способом электротермического натяжения арматуры.

Механические свойства металлов характеризуются их проч­ностью, твердостью, ударной вязкостью, усталостью и ползу­честью.

Прочность — это способность металла или сплава сопротив­ляться действию внешних сил. В зависимости от характера этих сил различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кру­чении. Характеризуются они соответствующим пределом проч­ности, т. е. условным напряжением, при котором испытуемый образец металла разрушается. Универсально испытание на рас­тяжение, применяемое для всех металлов и сплавов. Специфи­ческим, например, для серого чугуна, является испытание при сжатии и изгибе.

При испытании металлов при растяжении определяют пре­дел текучести — напряжение, при котором растяжение образца происходит без увеличения растягивающей нагрузки. Этот пока­затель служит основным при расчете металлических конструкций.

На усталость, или выносливость, испытывают образцы из бтали и цветных тяжелых и легких сплавов, детали из которых работают в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, сжимающих, крутящих и других нагрузок.

На ползучесть, т. е. способность деформироваться под пос­тоянной нагрузкой, испытывают металлы, непрерывно работаю­щие под напряжением. В результате ползучести могут увеличи­ваться прогибы строительных конструкций, произойти потеря устойчивости. Особенно опасна ползучесть арматурной стали в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Как результат ее, могут произойти потеря предварительного напряжения арматуры, образование трещин в бетоне и разруше­ние конструкции.

Твердость металла определяет противодействие его при вдав­ливании в него твердого стального шарика (метод Бринелля), алмазного корпуса или алмазной пирамиды.

Вязкость различают статическую и ударную (динамическую! Статическая вязкость характеризуется относительным удлине нием (в процентах длины образца при разрыве) к его первона чальной длине, а ударная вязкость — количеством работы потребной для разрушения образца ударной нагрузкой.

Технологические свойства характеризуют способность метал­ла подвергаться обработке. К ним относятся: пластичность, поз­воляющая получать металлические изделия ковкой, прокаткой волочением; обрабатываемость резанием; свариваемость, харак­теризуемая способностью металла давать прочные соединения путем их местного нагрева до пластичного или жидкого сос­тояния.