3.4. Металлические материалы и изделия

Металлами называют вещества, которые обладают металлическим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью. Все эти свойства обусловлены крупнокристаллическим строением и абсолютной плотностью этих материалов. К недостаткам металлов относятся относительно низкая коррозионная стойкость по отношению к кислым газам и водным растворам, хрупкость при низких температурах и деформативность при высоких.

Производство и обработка металлов возникли очень давно и достигли современного технического уровня развития в результате использования практического опыта и достижений науки многих поколений. Сначала человек использовал для различных целей самородные металлы: золото, серебро, медь. Затем он научился получать металлы и сплавлять их друг с другом. Получение бронзы (прочного и твердого сплава меди и олова) открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, называемую «бронзовым веком». Позже была освоена выплавка железа. Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которые загружали измельченную руду и древесный уголь. При горении древесного угля руда превращалась в сыродутное железо. Его извлекали из горна в виде слитков и подвергали ковке. К ХШ –Х1V вв. нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами – домницами. В них развивались более высокие температуры, чем в сыродутных горнах, и происходило насыщение железа углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл – чугун. Из чугуна изготовляли простые отливки. Эти отливки обладали достаточной прочностью, но были хрупкими и не поддавались ковке. Примерно в середине XIV в. научились перерабатывать хрупкий чугун в очень прочный и ковкий металл – сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в так называемых кричных горнах. Позднее кричный процесс сменили более совершенные способы передела чугуна в сталь – бессемеровский, томасовский, мартеновский. Эти способы, а также электроплавка находят широкое применение в современном производстве. Существенную роль в развитии металлургии чугуна и стали сыграли работы М.В. Ломоносова, М.А. Павлова, А.А. Байкова, Д.К. Чернова и др.

В строительстве металлы используют при возведении каркасов промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, в изготовлении железобетонных и металлических конструкций, труб, кровельной стали и других изделий. Номенклатура металлических изделий, выпускаемых в Беларуси, достаточно обширна. Так, стальные сварные металлоконструкции выпускают заводы Минска, Минской и Гомельской областей, ЭЖБИ треста № 2 Брестской области, алюминиевые – Новогрудское металлообрабатывающее ПО, прокат – Могилевский завод, продукцию порошковой металлургии – завод в г. Молодечно, арматуру – металлургический завод в г. Жодино.

3.4.1. Состав, структура и свойства металлов

В твердом состоянии все металлы, металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов, образующих правильную кристаллическую решетку. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллические материалы от аморфных (стекло), в которых атомы расположены беспорядочно. Число атомов в различных сечениях кристаллической решетки неодинаково, поэтому механические, электрические и другие свойства металлов в разных направлениях различны. Это явление называют анизотропией, а материалы – анизотропными.

Металлы, используемые в технике, состоят из большого числа кристаллов правильной и неправильной формы, которые называют зернами или кристаллитами. В 1 см³ металлических изделий (например, стального проката) содержатся десятки тысяч кристаллитов. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Кроме того, даже в химически чистом металле содержатся примеси инородных атомов, которые искажают кристаллическую решетку. Все эти нарушения строения приводят, прежде всего, к значительному снижению реальной прочности. Например, теоретическая прочность железа равна 1400 МПа, в то время как практическая не превышает 300 МПа.

Металлы способны при нагревании, приводящем к разрушению кристаллической решетки, переходить в вязкопластичное состояние, а при охлаждении расплава – в кристаллическое. Такой переход происходит при строго определенной температуре, которую называют температурой плавления или кристаллизации. Некоторые металлы (железо, олово и др.) способны при повышении температуры изменять форму и расположение кристаллов в твердом состоянии. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в решетке называется аллотропией. Ряд металлов способны образовывать сплавы – сложные по составу соединения, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. В строительстве наибольшее применение нашли сплавы меди, алюминия, а также чугун, сталь, представляющие собой соединения железа и углерода.

Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и микроструктуры. Впервые эту зависимость, которую широко используют на практике, установил академик Н.С. Курнаков (1880 – 1941). Как правило, чем выше температура плавления металла или сплава, тем больше его прочность, лучше тепло- и электропроводность. Для получения сплавов с заданными свойствами, а также оценки надежности работы металлических конструкций применяют макроскопический и микроскопический анализы: макроскопический проводят невооруженным глазом или используют лупу с увеличением до 30 раз на специально подготовленных образцах; микроскопический анализ заключается в исследовании структуры и состава металлов и сплавов при помощи специальных оптических и электронных микроскопов, где увеличение может достигать 3000 раз и более.

Механические свойства металлов зависят от вида нагрузки, условий ее действия, температуры окружающей среды. Прочностные характеристики определяют испытанием стандартных образцов или самих изделий на специальных машинах. Режим испытания может быть статическим – нагрузка на образец увеличивается постепенно (определение прочности на сжатие, изгиб, разрыв), динамическим – нагрузка на образец действует мгновенно (испытание на удар), и повторно-переменным – нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению (испытание на усталость). Металлы испытывают на растяжение, сжатие, кручение, удар, усталость, твердость, ползучесть при комнатной, низких и высоких температурах.

Испытание на растяжение проводят с использованием разрывных машин. По величинам растягивающих нагрузок и соответствующим удлинениям образца вычерчивают диаграмму растяжения, характеризующую поведение металла или сплава под нагрузкой до момента разрушения. Для испытания на удар используют маятниковый копер, который позволяет определить способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявить его склонность к хрупкому разрушению при различных температурах. Испытанием на усталость оценивают возможность работы металлов (сплава) при действии многократных нагрузок, изменяющихся по величине и знаку. Способность металлов выдерживать большое число циклов испытаний называют выносливостью. Испытания проводят на цилиндрических образцах путем воздействия на них при вращении изгибающих нагрузок, которые вызывают знакопеременные напряжения, и доводят образец до разрушения.

Для определения твердости на практике применяют различные способы, основанные на внедрении в металлическую поверхность наконечника, выполненного из особо твердого материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир) и имеющего правильную форму в виде шарика, конуса или пирамиды. Наибольшее распространение получил метод Бринелля, основанный на расчете твердости по диаметру отпечатка вдавливаемого в поверхность металлического шарика определенной массы и диаметра. Условия испытания ограничивают величину и время действия прилагаемой нагрузки.

При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделяют исследованию процессов их разрушения при действии газообразных и жидких сред в условиях обычной и высоких температур. Важность этих работ подчеркивает тот факт, что ежегодно 30 % производимого металла идет на восстановление потерь от коррозии, из них 10 % теряется безвозвратно.

Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь. Интенсивность коррозионного разрушения зависит в основном от трех факторов: первый – химический состав и микроструктура металла или сплава; второй – химический состав окружающей среды и процентное содержание в ней агрессивных веществ (кислорода, кислот, щелочей); третий – температура окружающей среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозия может быть химической и электрохимической.

Поверхностное разрушение металла под действием газов при высокой температуре или органических жидкостей (спирта, бензина, нефти, мазута и т.п.) называют химической коррозией. Примером химической коррозии является процесс окисления при высоких температурах металлической арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин.

Электрохимическая коррозия металлических изделий происходит в различных водных растворах, проводящих электрический ток. Это наиболее распространенный вид коррозии. Она наблюдается в атмосферных условиях, на море, в земле, грунтовых водах, в растворах различных кислот и солей. Значительная часть строительных металлических конструкций и изделий (каркасы и крыши зданий, фермы мостов, арматура в железобетоне) подвержена электрохимической коррозии. Сущность процесса электрохимической коррозии заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, при контакте с электролитом переходят в раствор в форме ионов, вызывая разрушение металла.

Существует несколько видов коррозионных разрушений: равномерное, протекающее по всей поверхности с одинаковой скоростью; неравномерное – сплошное, скорость которого на отдельных участках зависит от структуры сплава и наличия дефектов на поверхности изделий; местное или локальное, наблюдаемое на отдельных участках поверхности металла (сплава).

Одним из способов предотвращения коррозии является ликвидация вызывающих ее условий: неоднородность строения, наличие дефектов на поверхности изделий, неравномерность освещенности и теплового нагрева. Кроме того, для борьбы с коррозией применяют специальные методы защиты: введение в состав легирующих добавок, электрохимическая защита (анодная или катодная), обработка коррозионной среды и защитные покрытия. Защитные действия легирующих добавок – Си, А1, Тi, V, Сr, Ni, Со и др., которые вводят для изменения структуры и свойств металлов, обусловлены или образованием на поверхности изделий коррозионностойких оксидных пленок, или созданием сплавов, обладающих высокой стойкостью к агрессивным средам.

Для надежной и долговечной защиты металлических конструкций, стальных закладных деталей, используемых при производстве сборного железобетона, все чаще применяют металлические покрытия, которые наносят гальваническим и горячим способами, металлизацией, плакированием. При гальваническом способе путем электролитического осаждения из раствора солей создается тонкий защитный слой какого-либо металла на поверхности изделия. В качестве примера можно привести оцинкование закладных деталей для железобетонных конструкций. При горячем способе изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец). Металлизация является распространенным способом защиты в строительстве. Она состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла (цинк, алюминий) на поверхность защищаемого от коррозии металлического изделия или конструкции. Еще одним вариантом защиты металлических покрытий от коррозии является плакирование.

Плакирование – термомеханический метод получения двух- и многослойных металлов (биметаллов), прочно соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Металлургическими заводами организовано производство листа, проволоки, труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием.

Защиту от коррозии несущих и ограждающих металлоконструкций в условиях строительно-монтажной площадки производят лакокрасочными составами на основе битумов, полимеров и других материалов. Это направление является приоритетным в настоящее время, так как при наименьших энергозатратах можно получить надежное долговечное покрытие. К применяемым составам относятся цинкосодержащие, термореактивные краски на основе высокомолекулярных смол (эпоксидных, полиэфирных). Последние наносят на поверхность металлических изделий и конструкций в электрическом поле при помощи пистолета-распылителя с расположенным внутри источником высокого напряжения. Их преимущество заключается в отсутствии токсичных растворителей, возможности применения безотходной технологии нанесения, отсутствии грунтового слоя и высоком качестве оплавленного, плотного покрытия, обладающего повышенной ударной прочностью, коррозионной стойкостью, адгезией к защищаемой поверхности. В зависимости от назначения оно может быть тонкослойным и фактурным, толщиной от менее 1 мкм до 20 мкм и более. Оптимальный вариант защиты выбирают в зависимости от материала конструкции, степени агрессивного воздействия на него и технико-экономической целесообразности. При необходимости обеспечения особенно надежной и долговечной защиты стальных конструкций применяют комбинированные покрытия, например, металлические и лакокрасочные.

Снизить разрушающее действие коррозионной среды на металлы и сплавы можно также путем введения в ее состав специальных добавок – ингибиторов, замедляющих процесс коррозии.

К разрушающим факторам относится также действие на металлические изделия и конструкции огня. Под действием открытого пламени и высокой температуры металлы размягчаются, деформируются и растрескиваются.

Незащищенные стальные конструкции в зависимости от толщины элементов, сечения и действующих напряжений имеют предел огнестойкости 0,1 – 0,44 часа. При действии огня несущая способность металлических конструкций снижается вследствие уменьшения при нагревании прочности и упругости металла, а также за счет появления пластических, температурных деформаций. Металлы являются несгораемыми материалами, но обладают высокой теплопроводностью, поэтому их огнезащита заключается в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, обеспечивающих высокую сопротивляемость действию огня и высоких температур. Традиционными средствами огнезащиты металлических конструкций являются тяжелые и легкие бетоны, кирпич, цементно-песчаные штукатурки. Эти материалы могут создать практически любой предел огнестойкости конструкций. Так для обеспечения предела огнестойкости стальной конструкции, равного 2 часам, необходим слой тяжелого бетона или гипса толщиной 60 мм, штукатурки – 50 – 60 мм, кирпича – 65 мм.

В последние годы все большее применение находят теплоизоляционные штукатурки и огнезащитные покрытия на основе глины, жидкого стекла, гипса с использованием в качестве огнестойких заполнителей и наполнителей вспученного перлита, вермикулита, асбеста и минерального каолинового волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами. Составы наносят на поверхность металлоконструкций пистолетом-распылителем. В зависимости от требуемой огнезащиты (45 – 150 мин) и толщины металла в конструкции толщина защитного слоя составляет от 8 до 40 мм.

Одним из перспективных средств огнезащиты являются вспучивающиеся краски, состоящие, например, из растворителя, акрилового полимера и пенообразующего антипирена, которые наносят на поверхность металлоконструкций тонким слоем (1 – 1,2 мм). При температуре около 170 °С краска вспучивается, образуя пористый термоизоляционный слой, толщина которого составляет несколько сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности вспененная масса предотвращает быстрый нагрев металла, увеличивая огнестойкость до 1 часа. Кроме того, для огнезащиты металлических конструкций используют плитные и листовые теплоизоляционные материалы в виде асбестоцементных и асбестогипсовых облицовочных плит, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов.

Как показала практика эксплуатации, причиной разрушения металлических конструкций может быть также накопление на их поверхности продуктов жизнедеятельности микроорганизмов: органических кислот, сульфидов, сероводорода, аммиака – биологическая коррозия. Для защиты металлоконструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе каменноугольной, эпоксидной, поливинилхлоридной смол с введением в состав эффективных биоцидных добавок.