МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Металлы – это простые вещества, имеющие в твердом состоянии кристаллическое строение и обладающие характерными свойствами: высокой плотностью, блеском, непрозрачностью, высокой тепло- и звукопроводностью, пластичностью. Сплавы металлов (или металлические сплавы) – это твердые и жидкие системы, полученные сплавлением нескольких металлов или металлов с неметаллами (например, железоуглеродистые сплавы). Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с металлами и поэтому их часто объединяют единым термином «металлы». Металлы и металлические сплавы черные металлы (чугун, сталь) цветные металлы (алюминий, медь, цинк, олово, никель, титан, магний, бронзу, латунь) В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на чугуны и стали. Чугун – сплав железа с углеродом (обычно 2…4,3 %), содержащий постоянные примеси кремния, марганца, фосфора и серы, а иногда и легирующие элементы. Сталь – ковкий (деформируемый) сплав железа с углеродом (до 2 %). Чугун Чугун получают: в доменных печах из железных руд; в вагранках из металлолома. Сырьем для производства чугуна служат : магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк 2 FeO3 ·3H2O и шпатовый железняк FeСO3. Чугун в зависимости от назначения подразделяется на: литейный (серый) – используют для отливки узорчатых перильных ограждений мостов, оград, тюбингов для облицовки тоннелей, труб и др.; передельный (белый) – используют для производства стали; специальный (сплав железа с марганцем, кремнием и другими легирующими добавками) – применяют при получении стали как легирующие добавки или как красители. Свойства чугуна: малая прочность при растяжении и изгибе по сравнению со сталью; хрупкий материал; трудно поддается сварке. Для уменьшения хрупкости чугуна и повышения других физикомеханических свойств в его состав вводят добавки цветных металлов или химических элементов. Таким образом получают высокопрочный и ковкие чугуны. Сталь Сталь имеет более высокую пластичность, лучше обрабатывается. Получение стали из чугуна заключается в уменьшении примесей до допускаемого количества. Основными примесями в стали являются сера, фосфор, марганец, кремний. В зависимости от способа производства стали подразделяют на: конверторные (бессемеровские и томассовские); мартеновские; электропечные. Конверторным способом можно получать как углеродистую, так и легированную сталь. Из конверторной стали изготавливают листовое железо, проволоку, строительные прокатные профили и т.д. Мартеновский способ наиболее распространен. Он позволяет получать сталь высокого качества за счет регулирования химического состава и свойств стали. Мартеновские стали используют для изготовления ответственных несущих конструкций мостов, ферм перекрытий, профильного проката, для устройства подкрановых балок, рельсов и т.д. Расширяется получение сталей в электропечах. Этот способ позволяет получать металл очень высокого качества. Обычно электроплавкой получают жаро- и кислотоупорные стали, нержавеющие, инструментальные и конструкционные повышенного качества. Стоимость электросталей выше мартеновских и конверторных из-за большого расхода электроэнергии. По химическому составу стали делят на: - углеродистые (содержат нормальные примеси кремния, марганца, фосфора, серы и кислорода); - легированные (для улучшения свойств вводят легирующие цветные металлы – никель, хром, алюминий, вольфрам, титан и др). Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на: низкоуглеродистые (до 0,25 %); среднеуглеродистые (0,25 – 0,6 %); высокоуглеродистые (более 0,6 %). Легированные стали подразделяются на 2 группы: низколегированные ; высоколегированные. В строительстве в основном используют низко-, среднеуглеродистые и низколегированные стали. По применению стали делятся на: конструкционные; инструментальные (используются для изготовления режущих, ударных и измерительных инструментов и приспособлений); специальные (стали с особыми физико-механическими и химическими свойствами: нержавеющие, жаро- и кислотостойкие с особыми магнитными и электрическими свойствами и др.). Свойства металлов К механическим свойствам металлов относят: прочность; твердость; ударную вязкость; усталость; ползучесть. Они определяются стандартными способами и учитываются при проектировании конструкций и изделий из металлов. Прочность – это способность металла сопротивляться действию внешних сил. Различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Под твердостью понимают свойство металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела. Твердость определяют следующими способами: по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Усталость материала – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время. Ползучестью называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. Цветные металлы и их сплавы Цветные металлы в чистом виде обладают высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью, стойки к атмосферной коррозии, однако имеют невысокую прочность. Цветные металлы разделяют на легкие и тяжелые. Легкие имеют плотность менее 3500 кг/м3. Основными компонентами легких металлов являются алюминий и магний. Наиболее часто используют алюминий, медь и их сплавы. Алюминий – легкий серебристо-белый металл (плотность - 2700 кг/м3). Отличается высокой коррозионной стойкостью на воздухе за счет образования защитной пленки (Al2O3), пластичностью, легко поддается прокатке, ковке, прессованию, имеет высокую теплои электропроводность. Предел прочности алюминия при растяжении – 90…120 МПа, твердость HB = 25…30. Медь – мягкий, ковкий металл красного цвета с плотностью 8800 кг/м3, температурой плавления - 1083 °С, пределом прочности при растяжении - около 200 МПа. Медь является пластичным металлом, хорошо проводит электричество и теплоту. Цинк получают из сульфидных цинковых руд. Плотность цинка - 7000 кг/м3. Его температура плавления - 410 °С. При обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до 150 °С он становится пластичным. Свинец - мягкий пластичный тяжелый металл. Плотность свинца - 11400 кг/м3; температура плавления - 325 °С. Свинец хорошо льется и прокатывается, хорошо противостоит действию серной и соляной кислот. Предел прочности при растяжении - до 20 МПа, твердость НВ = 5,9. Свинец непроницаем для рентгеновских лучей и частично не пропускает γ-лучи. Применяется в мостостроении. Олово - мягкий, стойкий против коррозии металл. Плотность олова - 7230 кг/м3; температура плавления - 232 °С. Применяется для лужения стали и меди в качестве припоя и как составная часть цветных легкоплавких сплавов. Предел прочности при растяжении - 35...45 МПа, твердость НВ = 12. Сплавы титана (с алюминием вольфрамом, молибденом, хромом) имеют предел прочности при растяжении 700...1200 МПа, который легированием и термообработкой может быть увеличен до 1800…2000 МПа. Титановые сплавы сочетают в себе низкую плотность (4500 кг/м3), высокую твердость (НВ > 1000), коррозионную стойкость и жаропрочность (до 400 °С). Способы получения материалов из металлов Для получения изделий из пластичных металлов применяют следующие способы обработки: 1. прокат 2. ковка 3. волочение 4. штамповка 5. прессование Схема проката металла Волочение металла Ковка – процесс деформации металла под действием повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть свободная и штампованная. Волочение заключается в протягивании металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. Способом волочения изготавливают тонкостенные изделия – трубки, круглые, квадратные, шестиугольные прутки и арматуру. Способом прессования изготовляют профильные материалы и трубы из сталей или цветных металлов. При этом металл выдавливается под давлением с помощью гидравлического или механического прессов из замкнутого контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которой определяют сечение формуемого профиля. Область применения металлических материалов и изделий Из чугуна выполняют опорные части колонн (подушки), тюбинги - укрепляющие своды тоннелей, трубы, радиаторы, санитарно-технические изделия. Чугунные гладкие и рифленые плиты применяют для покрытий полов подвергающихся большим ударным нагрузкам, а также в горячих цехах, где их применяют в зонах нагрева пола до 1000…1400 °С. Сталь, наряду с бетонами, - главнейший конструкционный материал. Номенклатура стальных материалов включает различные профили и листы, оболочки, мембраны, тросы, канаты, черепицу, закладные детали, декоративно-художественные изделия. Виды стальных профилей, полученных способом проката: 1 - блюмс; 2 - квадратный с закругленными углами; 3 - квадратный; 4 - круглый; 5 - полосовой; 6 - треугольник; 7- овальный; 8 - полукруглый; 9 - сегментовый; 10 - ромбовидный; 11 - угловой неравнобокий; 12 - угловой равнобокий; 13 - швеллер; 14 - двутавровый; 15 - тавровый; 16 - рельсовый; 17 - зетовый; 18 - колонный Виды стальной арматуры для железобетонных изделий: а - гладкая стержневая; б - гладкая проволочная; в - проволочная прядь; г - горячекатаная периодического профиля; д - холодносплющенная; Защита металлических материалов и изделий от коррозии и огня Коррозией называется процесс химического и электрохимического разрушения металлов под воздействием окружающей среды. Коррозия Химическая Электрохимическая Химическая коррозия происходит при воздействии на металл сухих газов и растворов неэлектролитов – бензина, масел, мазута, спиртов и др. На поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии. Электрохимическая коррозия происходит при воздействии на металл растворов электролитов: воды, водных растворов солей, кислот, щелочей, расплавов солей и щелочей. Коррозия металлов в атмосфере, почве и других агрессивных средах арматурной стали и бетона, имеет свои особенности. Методы защиты Методы можно разделить на 2 группы: 1 группа. На стадии изготовления изделий: вводят легирующие добавки для регулирования свойств, в частности коррозионной стойкости; проводят термохимическую обработку, диффузионную металлизацию; вводят в бетонную смесь ингибиторы коррозии; создают защитный слой бетона в железобетонных изделиях. 2 группа. На стадии эксплуатации: покрывают изделия лакокрасочными металлическими покрытиями; обрабатывают почву замедлителя коррозии.