РАЗДЕЛ № 9. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Лекция №15 Тема № 25, 26. Металлические материалы и изделия

Учебные вопросы:

1. Общие сведения о металлических строительных материалах. Строительные стали, основные свойства, технические требования к качеству и области применения.

2. Арматурная сталь: общие сведения, классификация, технические требования к качеству и области применения. Защита металла от коррозии.

3. Общие сведения об алюминиевых сплавах, используемых в строительстве.

1. Металлы занимают одно из главных мест среди основных строительных материалов. Область их применения в строительстве весьма широка. Это – арматура для железобетона, разнообразные металлические конструкции, трубы и пр. В военном строительстве металлические конструкции используются также в быстровозводимых сборных сооружениях различного назначения (склады, специальные производственные здания и т.д.).

Широкое применение металлов в строительстве объясняется рядом их ценных свойств: высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, свариваемостью и др. В то же время металлам присущи недостатки, в том числе подверженность коррозии, деформируемость при высоких температурах, значительная плотность, высокая стоимость.

Различают черные и цветные металлы. Черные металлы представляют собой в основном сплавы железа с углеродом, в которых в небольшом количестве содержатся кремний, марганец, фосфор, сера и другие химические элементы. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на стали и чугуны. Цветные металлы, к которым относятся медь, алюминий, магний, цинк и др., применяются как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Наибольшее применение в строительстве находят черные металлы и среди них – сталь, производство которой является одним из важнейших показателей индустриального развития, уровня технического прогресса и оборонной мощи государства. Однако за последние десятилетия в современном строительстве все более широко используются и алюминиевые сплавы, благодаря сочетанию высокой прочности и относительно малой плотности.

Характерной особенностью многих металлов является аллотропия (вторичная кристаллизация) или полиморфизм – способность изменять свою кристаллическую структуру в твердом состоянии при различной температуре. Изменение типа кристаллической решетки вызывает соответствующие изменения физико-механических свойств.

Металлы характеризуются рядом общих для них физических свойств: большой плотностью, высокой температурой плавления, хорошей теплопроводностью, значительным температурным коэффициентом линейного расширения и др.

Основными механическими свойствам металлов являются высокая прочность и твердость, значительная ударная вязкость, высокий модуль упругости, способность к упругим и пластическим деформациям.

Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться механической и термической обработке. К ним относятся обрабатываемость давлением (ковкой, штампованием, прокаткой, волочением), резание, свариваемость. Эти свойства металлов изучаются в специальных курсах.

Общие сведения о железоуглеродистых сплавах и их свойствах

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями, а от 2,14 до 6,67% - чугунами.

Чугун в строительстве применяется для производства элементов конструкций, работающих только на сжимающие нагрузки (опорные части мостовых ферм, тюбинги для метро), а также для изготовления радиаторов центрального отопления, канализационных труб, художественного литья и др.

Передел чугуна на сталь заключается в удалении излишнего углерода и части вредных примесей путем их окисления. Образующийся при этом избыток закиси железа, придающий стали хрупкость, удаляется путем восстановительного процесса, называемого раскислением, который осуществляется с помощью специальных добавок.

Существует несколько способов получения стали: мартеновский, конверторный, электроплавильный; последние два наиболее эффективны.

Важнейшими структурными составляющими железоуглеродистых сплавов являются цементит, феррит и перлит.

Цементит (карбид железа Fe₃C) – химическое соединение с содержанием углерода 6,67%. Способен образовывать твердые растворы с различными элементами. Обладает очень высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. В сплавах является самостоятельной структурной составляющей, а также входит в состав эвтектик и эвтектоидов. Распадается при термической обработке сплава.

Феррит – устойчивый твердый раствор углерода в α-Fe. Предельное содержание углерода при t=20⁰С не превышает 0,006%. Обладает твердостью по Бринеллю НВ 80 и пределом прочности при растяжении 300 МПа. Характеризуется значительной пластичностью (ε_t = 40%) и мягкостью. При отсутствии примесей не подвержен коррозии. Обладает магнитными свойствами.

При повышенной температуре (более 727⁰С) в сплавах может содержаться аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe, характеризующийся высокой ударной вязкостью, не обладающий магнитными свойствами, устойчивый при обычной температуре только с определенными примесями.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, характеризующаяся постоянным содержанием углерода (около 0,3%). Является конечной стадией структурных превращений в сплавах (равновесная структура). По механическим свойствам занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. Обладает твердостью НВ 150-250, пределом прочности при растяжении 800-850 МПа, малопластичен: ε_t = 5-15%.

Кроме того, при содержании в сплаве углерода 4,3% образуется ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита с твердостью НВ 550.

Содержание перлита в сплаве определяется путем изучения его микроструктуры на специальным образом приготовленных образцах – шлифах.

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат незначительное количество только постоянных примесей (кремний, марганец, сера и др.), обусловливаемых технологией их получения. Легированными называются стали, которые кроме обычных примесей содержат для улучшения физико-механических свойств специально вводимые, так называемые, легирующие компоненты. Целью легирования является получение более прочной и вязкой структуры, устойчивой при нормальной температуре только с примесями некоторых элементов (никеля, хрома. марганца, кремния и пр.), получивших название легирующих добавок. Многие добавки улучшают одновременно несколько различных свойств стали. Так, хром повышает жаростойкость, коррозионную стойкость и износоустойчивость стали, никель – вязкость и прочность, кремний – прочность и твердость и т.д.