Тема 3.3. Металлы и металлические изделия

Цель: изучит металлы и металлические изделия

Знать: Общие сведения о металлах и сплавах,Основы производства чугуна и стали, Виды сталей, Чугунное литье, Цветные металлы и сплавы, Защита металлов от коррозии и огня

Ход занятия:

1. Общие сведения о металлах и сплавах

Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами.

Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).

Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению — конструкционные, инструментальные и специальные.

Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14 %), некоторым количеством марганца (до 2%), кремния (до 5%), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана.

 

2. Основы производства чугуна и стали

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах высокотемпературной (до 1900° С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаС0₃) необходим для перевода пустой породы (состоящей в основном из Si0₂ и А1₂0,), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь силикатов и алюминатов кальция.

Доменная печь.

В печь сверху через устройство загружают шихту, а снизу через фурмы подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Расплавленный чугун стекает вниз печи, а расплав шлака, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки и в ковш.

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства стали, остальная часть чугуна используется для получения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в сером из- за присутствия кремния цементит не образуется и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали. Сталь получают из чугуна и железного металлолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов плавлением в мартеновских печах, конвертоpax или электрических печах.

Выплавка стали — сложный процесс, складывающийся из целого ряда химических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изг отовление стальных изделий. Стальные слитки — полуфабрикат, из которого различными методами получают необходимые изделия. При обработке металла давлением практически нет отходов.

· Прокатка

· волочение

· Ковка

· Штамповка

· Прессование

· Холодное профилирование

 

Виды сталей

Углеродистые стали — это сплавы, содержащие железо, углерод, марганец и кремний, а также вредные примеси — серу и фосфор, снижающие механические свойства стали (их содержание не должно превышать 0,05...0,06 %). Уг леродистые стали общего назначения подразделяют на три группы А, Б и В.

Стали группы А изготовляют марок СтО, Ст1 и т. д. до Стб и поставляют потребителю с гарантированными механическими свойствами без уточнения химического состава. Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода: в стали СтЗ — 0,14...0,22 %углерода, стали Ст5 — 0,28...0,37 %.

Стали группы Б (БСтО, БСт1, БСтЗ и т. д.) поставляют с гаранти-рованным химическим составом; стали группы В —с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Благодаря определенности химического состава стали групп Б и В можно подвергать термической обработке.

Легированные стали помимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат так называемые легирующие элементы, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства. К легирующим элементам относятся: марганец, кремний, хром, никель, молибден, медь и другие элементы. Легированные стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами (нержавеющие, жаростойкие и др.). Для строительных целей применяют в основном конструкционные стали.

Конструкционные низколегированные стали содержат не более 0,6 % углерода.

В строительстве применяют легированные стали 10ХСНД, 15ХСНД для ответственных металлических конструкций (ферм, балок); 35ХС, 25Г2С, 25ХГ2СА, 30ХГСА и 35ХГСА — для арматуры предварительно напряженного бетона.

Прочность на растяжение таких сталей в 2...3 раза выше, чем обыкновенных углеродистых сталей СтЗ и Ст5. Так, у стали 30ХГСА предел прочности при растяжении не менее 1100 МПа, а у стали 35ХГСА — не менее 1600 МПа (у стали Ст5 — 500...600 МПа). Такие высокие прочностные показатели позволяют получать из легированных сталей более легкие конструкции при сохранении необходимой несущей способности. Это, в свою очередь, снижает расход металла и уменьшает массу здания.

Термическая обработка стали

Наиболее часто применяют закалку, отпуск и нормализацию сталей.

· Закалка

· Нормализация

· Отпуск.

Стальные конструкции: Балки двутавровые; швеллеры; прокатнаяю угловая равнополочная сталь, неравнополочную; гнутые профили, стальной профилированный настил.

По назначению стальные конструкции подразделяют на колонны, погоны, фермы.

Стальная арматура

 

В зависимости от условий применения арматуру подразделяют на ненапрягаемую — для обычного армирования и напрягаемую, используемую в предварительно напряженном железобетоне.

Стержневая арматурная сталь представляет собой горячекатаные стержни диаметром 6...80 мм.

Арматурные стержни класса A-I гладкие, A-II...A-VI — периодического профиля, что улучшает их сцепление с бетоном. Стержневую арматуру диаметром более 10 мм поставляют в виде прутков длиной от 6 до 18 м; диаметром 6...9 мм (называемую катанкой) – в бухтах и выпрямляют в стержни на месте применения.

Стальную арматурную проволоку изготовляют двух классов: B-I — из низкоуглеродистой стали (предел прочности 550...580 МПа) и В-II из высокоуглеродистой или легированной стали (предел прочности 1300…1900 МПа). Проволоку получают из стальных прутьев путем вытяжки; при этом она упрочняется в результате изменения структуры металла (явление наклепа).

Закладные детали предназначены для соединения железобетонных элементов между собой.

Монтажные петли, закладываемые и железобетонные элементы, изготовлиин из арматурной стали класса A-I.

 

Чугунное литье

Серый чугун - представляет собой, по существу, многокомпонентный сплав Fe-C-Si, который имеет постоянные примеси Mn, P и S. Углерод в сером чугуне может находиться в виде цементита Fe₃C - связанное состояние, или графита - свободное состояние, а также одновременно в виде цементита и графита.
По содержанию углерода чугуны подразделяются на доэвтектический - 2,14... 4,3 % С, эвтектический - 4,3 % С и заэвтектический - 4,3... 6,67 % С углерода.
Доэвтектические чугуны, содержащие 2,14... 4,3 % С, после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита.
Эвтектический чугун (4,3% С) при температуре ниже +727 °С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).
Заэвтектический чугун, содержащий 4,3... 6,67 % С, при температуре ниже +727 °С состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

Производство чугунного литья по выплавляемым моделям более эффективно из высокопрочного чугуна. Этот метод позволяет получить отливки чугуна от нескольких грамм до десятков килограмм весом, при этом изделие не будет требовать трудоемкой дополнительной обработки.

 

5. Цветные металлы и сплавы

 

Медь и сплавы на ее основе. Чистая медь — мягкий (НВ 350), пластичный металл красноватого цвета, плотностью 8960 кг/м³, отличающийся высокой теплопроводностью [λ = 390 Вт/(м-К)] и электропроводностью. Прочность меди не велика — R_p = 180...240 МПа; температура плавления — 1080° С.

Латуни — сплавы меди с цинком (10...40 %); хорошо поддаются прокату, штамповке и вытягиванию. В строительстве латунь используют для декоративных элементов (поручни, накладки и т.п.) и для санитарно-технических устройств. Бронзы — сплавы меди с оловом (до 10 %), алюминием, свинцом и др. Применяют для декоративных целей (арматура для дверей и окон и др.), в сантехнике и для специальных целей.

Аллюминий и сплавы на его основе. Алюминий — легкий серебристый металл (плотность 2700 кг/м³) с низкой прочностью (R_p — 80…100 МПа) и твердостью (НВ 200); характеризуется высокой электро- и теплопроводностью [λ — 340 Вт/(м • К)]. Несмотря на химическую активность алюминий стоек к атмосферной коррозии благодаря защитным свойства оксидной пленки, образующейся на его поверхности.

Литейные алюминиевые сплавы (силумины)

Деформируемые алюминиевые сплавы (дюралюмины)

В строительстве эти сплавы широко применяют для изготоления оконных и дверных переплетов и коробок, в качестве кровельного материала, для наружной облицовки зданий.

 

6. Защита металлов от коррозии и огня

 

Коррозия металлов — процесс разрушения металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой, в результате которого металлы окисляются и теряют присущие им свойства.

Химическая коррозия — разрушение металлов и сплавов в результате окисления при взаимодействии с сухими газами (0₂, S0₂ и др.) при высоких температурах или с органическими жидкостями — нефтепродуктами, спиртом и т. п.

Электрохимическая коррозия — разрушение металлов и сплавов в воде и водных растворах.

 

Защитить металл от коррозии можно также, покрывая его слоем другого более коррозионно-стойкого металла: оловом, цинком, хромом, никелем и др. Защитный слой металла наносят путем никелирования, хромирования, лужения, цинкования и свинцевания. Покрытие цинком используют для защиты от коррозии закладных деталей железобетонных изделий, водопроводных труб, кровельной жести. Защитный слой наносят гальваническим (электролитическим осаждением из раствора солей) или термическим (окунанием в расплав металла или распылением расплава) методом.

Применяют химические способы образования покрытий (плотных оксидных пленок) на металле: фосфатирование (для черных металлом) и анодирование (для алюминиевых сплавов).