Тема 3.3 Металлические материалы и изделия

Общие сведения

Металлы представляют собой неорганические крупнокристаллические вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электро- и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью. Пластичность проявляется при действии механической нагрузки и широко используется для получения изделий определённой формы и размеров. Металлические материалы строительного назначения производят методом проката (листы, профили, балки), экструзией (стержни, проволоку), прессованием (закладные детали).

Контроль основных показателей металлов и сплавов проводят по пределу прочности на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, удар, твёрдость в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации в статическом, динамическом или повторно-переменном режимах при нормальной, повышенной и отрицательной температурах. При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделяют также исследованию процессов их разрушения под воздействием агрессивных сред, микроорганизмов, высоких температур и огня.

Интенсивность коррозионного разрушения зависит от химического состава и микроструктуры металла (сплава), концентрации и температуры агрессивной среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозию подразделяют на химическую (под действием газов, высокой температуры и органических жидкостей), электрохимическую (при наличии водных растворов), биологическую (под действием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов). Разрушение может происходить как равномерно по всей поверхности, так и неравномерно, что наиболее опасно.

Изделия предохраняют от коррозии за счёт повышения однородности структуры и состава, введения легирующих добавок, исключения дефектов поверхности и применения специальных методов защиты: нанесение коррозионностойких металлических покрытий металлизацией, плакированием, гальваническим или горячим способами; термохимическая обработка изделий; покрытие поверхностей изделий лакокрасочными составами.

По отношению к открытому пламени металлы являются несгораемыми материалами, однако резкое повышение температуры и их высокая теплопроводность вызывают их расширение и внутренние напряжения, приводящие к размягчению, деформациям, растрескиванию, что приводит к потере несущей способности. Защитные меры основаны на создании поверхностного теплозащитного слоя из бетона, кирпича, цементно-песчаных или глиняных огнезащитных штукатурок, вспучивающихся огнезащитных красочных составов, гипсосодержащих листов и плит.

Для защиты металлоизделий и конструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе полимерных смол с введением биоцидных добавок.

 

Технология и применение

В строительной практике основной объем составляют железоуглеродистые сплавы (черные металлы), которые в зависимости от содержания углерода С подразделяют на чугун (2,14...6,67 % С) и сталь (до 2 % С). Большое содержание углерода обеспечивает высокую прочность на сжатие и хрупкость металла, чем меньше его количество, тем пластичнее сплав, а также повышается его коррозионная стойкость. Поэтому чугун используют в конструкциях, работающих на сжимающие нагрузки (тюбинги в метро, башмаки под колонны) и для изготовления канализационных труб, а сталь — на изгибающие и растягивающие (балки, арматура, профильные листы и т.д.).

Чугун получают в доменных печах из железосодержащих руд (красного, бурого и магнитного железняка). В состав чугуна, кроме железа и углерода, входят примеси кремния, марганца, фосфора и специальные легирующие добавки (никель, магний, алюминий, кремний), которые придают сплаву высокие механические свойства, обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Белый чугун (передельный) составляет большую часть выпускаемой металлургической продукции и идёт на переработку в сталь. Серый (литейный) чугун применяют для изготовления фасонного литья строительного профиля (радиаторы, сантехника и архитектурно-художественные изделия). Высокопрочный и ковкий чугун используются в машиностроении.

С целью значительного повышения пластичности железоуглеродистых сплавов чугун в сочетании с рудой, металлоломом (скрапом) переплавляют в сталь. В процессе плавки, которая может проходить в конвертерах, мартеновских или электропечах, из чугуна путём окисления и перевода в шлак удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Полученную сталь классифицируют по способу производства: мартеновская, конвертерная, электросталь; химическому составу: углеродистая, легированная; назначению: конструкционная (строительная, машиностроительная), инструментальная, специального назначения.

Углеродистую сталь обыкновенного качества выпускают для строительных целей, качественную конструкционную используют в машиностроении и для ответственных строительных конструкций, высококачественную инструментальную — для изготовления режущих инструментов, штампов. В зависимости от гарантируемых механических и технологических характеристик углеродистую сталь обыкновенного качества делят на две группы (А и Б) и одну подгруппу (В). Для изготовления изделий строительного назначения в основном применяют сталь группы А, которую выпускают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3,..., Ст 6. По мере увеличения цифры повышается прочность и снижается пластичность сплава.

Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода на малоуглеродистые (до 0,25%), которые хорошо свариваются, пластичны и надёжно работают в сварных и клёпаных строительных конструкциях, среднеуглеродистые (до 0,55 %) — хуже свариваются, более прочные и хрупкие, их применяют для изготовления деталей, работающих при больших нагрузках, высокоуглеродистые (до 0,80 %) — для изготовления пружин, рессор, зубчатых колес.

С целью повышения коррозионной стойкости, снижения хладоломкости, замедления старения в сталь при получении вводят легирующие добавки (хром, марганец, никель, кобальт, молибден, кремний и т.д.). Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению. В зависимости от суммарного содержания добавок выпускают низколегированные стали (до 2,5 %), среднелегированные (2,5...10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Для производства элементов несущих стальных конструкций и профилей используют низколегированные конструкционные стали, для режущего и измерительного инструмента — инструментальные, для работы в условиях действия высоких температур, агрессивной среды и т.д. — легированные стали с особыми свойствами.

Преимущества легированных сталей проявляются в большей мере после дополнительной термообработки, общий режим которой включает нагрев изделий до температуры перекристаллизации сплава в твёрдом состоянии (вторичная кристаллизация) с сохранением вещественного состава (аллотропия). В зависимости от назначения термообработки (изменение свойств, снятие напряжений) целенаправленно подбирают максимальную температуру нагрева, скорость ее подъема и охлаждения. На практике применяют следующие виды термической обработки металлических изделий: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, термомеханическую и химико-термическую.

Отжиг используют для повышения однородности стали, снятия внутренних напряжений. Нормализация позволяет уменьшить напряжения, имеющие место при получении изделий, и повысить пластичность. Применяя закалку в сочетании с отпуском, увеличивают прочность, твёрдость и сохраняют заданную вязкость. Метод термомеханической обработки (ТМО) предусматривает нагрев поверхностного слоя изделия на заданную глубину, обкатку его роликами для ориентированного расположения кристаллов и повышения прочности поверхностного слоя, закалку и отпуск. Этот вид обработки позволяет сочетать высокую прочность с пластичностью.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твёрдости, прочности, жаро-, износо- и коррозионной стойкости. Используемый способ обработки предусматривает насыщение поверхностного слоя изделия в нагретом состоянии углеродом (цементация), азотом (азотирование) или одновременно азотом и углеродом (цианирование).

Вторую группу используемых в строительстве металлических материалов образуют цветные сплавы.

Наиболее широкое применение получили сплавы алюминия с магнием, медью, кремнием благодаря их низкой плотности (2700 кг/м³), высокой электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости, пластичности, хорошей свариваемости, надёжности работы при отрицательных температурах, отсутствию магнитных свойств и искрообразования при ударе. Эти материалы используют для получения прессованных холодных и утеплённых профилей, тонколистовых изделий для производства сварных и клёпаных конструкций (фермы, колонны, сборные каркасы зданий, кровельные и стеновые многослойные панели), подвесных потолков, окон, дверей.

Из сплавов меди в строительстве применяют латунь (листы, прутья, проволока, трубы) и бронзу (архитектурно-художественные изделия и пигмент в красочных составах).

Цинк в строительстве используется для защиты стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, несущих конструкций) от коррозии. Свинец, стойкий к коррозии и радиационному излучению, — для изготовления специальных труб и защитных экранов.

Вопросы для самоконтроля

1.Изложите классификацию металлов.

2. Назовите строительные изделия из чугуна.

3.Какие виды арматурной стали вы знаете?

4. Перечислите виды термической обработки металлических изделий.

 

Раздел 4. Вяжущие материалы