Свойства металлов и сплавов, их применение в строительстве

3.4. Свойства металлов и сплавов, их применение в строительстве

Металлы представляют собой кристаллические неорганические материалы, обладающие специфическим металлическим блеском, определенной температурой плавления, электро- и теплопроводностью, свариваемостью и определенной пластичностью. Последнее технологическое свойство, проявляющееся при действии механической нагрузки, широко используют с целью получения изделий определенной формы и размеров. Металлические материалы строительного назначения производят методомпроката(листы, профили, балки),экструзией(стержни, проволоку),прессованием(закладные детали).

Контрольосновных показателей металлов и сплавов проводят попределу прочности на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, удар, твердостьв 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 исследованию процессов их разрушения при действии 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 проходить как равномерно по всей поверхности, так и неравномерно, которое наиболее опасно. Предохраняют от коррозии за счет повышения однородности структуры и состава металлов (сплавов), введения легирующих добавок, исключения дефектов поверхности и применения специальных методов защиты. К широко используемым относятся: нанесение коррозионностойких металлических покрытий металлизацией, плакированием, гальваническим или горячим способами, применение термохимической обработки изделий и защита лакокрасочными составами.

По отношению к открытому пламени металлы являются несгораемыми материалами, однако резкое повышение температуры и их высокая теплопроводность вызывают размягчение, деформации, растрескивание металлов, что приводит к потере несущей способности. Защитные меры основаны на создании поверхностного теплозащитного слоя из бетона, кирпича, цементно-песчаных или глиняных огнезащитных штукатурок, вспучивающихся 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.

В строительной практике основной объем составляют железоуглеродистые сплавы– черные металлы, на втором месте цветные сплавы алюминия и значительно меньше соединения меди, цинка и свинца. Железосодержащие сплавы в зависимости от содержания углерода подразделяют начугун(от 2,14 до 6,67 % С) исталь(до 2 % С). Повышенное содержание углерода обеспечивает высокую прочность на сжатие и хрупкость. Чем меньше его количество, тем пластичнее сплав. Поэтому чугун используют в конструкциях, работающих на сжимающие нагрузки (тюбинги в метро, башмаки под колонны), 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 чугунов, 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, микроструктуры, выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый – передельный чугун, составляющий большую часть выпускаемой металлургической продукции, идет на переработку в сталь. Серый литейный чугун применяют для изготовления фасонного литья строительного профиля (радиаторы, сантехника и архитектурно-художественные изделия).

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, мартеновскихилиэлектропечахиз чугуна, путем окисления и перевода в шлак, удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Полученную сталь классифицируют поспособу производства: мартеновская, конвертерная, электросталь, похимическому составу: углеродистая, легированная, поназначению: конструкционная (строительная, машиностроительная), инструментальная и специального назначения.Углеродистую стальобыкновенного 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: Ст О, Ст 1, …, 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 надежно работают в сварных и клепанных 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 (Cr,Mn,Ni,Co,Mo,Siи т. д.).Легированные сталиклассифицируют по химическому составу и назначению. В зависимости от суммарного содержания добавок выпускают низколегированную сталь (до 2,5 %), среднелегированную (от 2,5 до 10 %) и высоколегированную (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, при которой происходит перекристаллизация сплава в твердом 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 следующиевиды термической обработкиметаллических изделий: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, термомеханическую и термохимическую.

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, твердость, с сохранением заданной вязкости. 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 твердости, прочности, коррозионной стойкости, жаростойкости, износоустойчивости. Используемый режим предусматривает насыщение поверхностного слоя изделия в нагретом состоянии углеродом (цементация), азотом (азотирование) или параллельно азотом и углеродом (цианирование).

Для снятия внутренних напряжений и придания специальных свойств термообработке подвергают и изделия из цветных металлов. Наиболее широкое применение получили сплавы алюминияс магнием, медью, кремнием, благодаря их низкой плотности (2700 кг/м 3 ), высокой электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости, пластичности, хорошей свариваемости, надежности работы при отрицательных температурах, отсутствия магнитных свойств и искрообразования при ударе. Эти материалы используют для получения прессованных холодных и утепленных профилей, тонколистовых изделий для производства сварных и клепанных конструкций (фермы, колонны, сборные каркасы зданий, кровельные и стеновые многослойные панели), подвесных потолков, окон, дверей.

Из сплавов меди в строительстве применяют латунь в виде листов, прутьев, проволоки, труб и бронзу, в качестве архитектурно-художественных изделий и пигмента в красочные составы.

Назначение цинкав строительстве – защита стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, несущих конструкций) от коррозии,свинца, стойкого к коррозии и радиационному излучению, – изготовление специальных труб и защитных экранов.

Свойства металлов и сплавов, их применение в строительстве

Металлыпредставляют собой кристаллические неорганические материалы, обладающие специфическим металлическим блеском, определенной температурой плавления, электро- и теплопроводностью, свариваемостью и определенной пластичностью. Последнее технологическое свойство, проявляющееся при действии механической нагрузки, широко используют с целью получения изделий определенной формы и размеров. Металлические материалы строительного назначения производят методом проката (листы, профили, балки), экструзией (стержни, проволоку), прессованием (закладные детали).

Контроль основных показателейметаллов и сплавов проводят по пределу прочности на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, удар, твердость 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 исследованию процессов их разрушения при действии 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 проходить как равномерно по всей поверхности, так и неравномерно, которое наиболее опасно. Предохраняют от коррозии за счет повышения однородности структуры и состава металлов (сплавов), введения легирующих добавок, исключения дефектов поверхности и применения специальных методов защиты. К широко используемым относятся: нанесение коррозионностойких металлических покрытий металлизацией, плакированием, гальваническим или горячим способами, применение термохимической обработки изделий и защита лакокрасочными составами.

По отношению к открытому пламени металлы являются несгораемыми материалами, однако резкое повышение температуры и их высокая теплопроводность вызывают размягчение, деформации, растрескивание металлов, что приводит к потере несущей способности. Защитные меры основаны на создании поверхностного теплозащитного слоя из бетона, кирпича, цементно-песчаных или глиняных огнезащитных штукатурок, вспучивающихся 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.

В строительной практике основной объем составляют железоуглеродистые сплавы – черные металлы, на втором месте цветные сплавы алюминия и значительно меньше соединения меди, цинка и свинца. Железосодержащие сплавы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугун (от 2,14 до 6,67% С) и сталь (до 2% С). Повышенное содержание углерода обеспечивает высокую прочность на сжатие и хрупкость. Чем меньше его количество, тем пластичнее сплав. Поэтому чугун используют в конструкциях, работающих на сжимающие нагрузки (тюбинги в метро, башмаки под колонны), а сталь – на изгибающие и растягивающие (балки, арматура, профильные листы и т.д.).

Чугунполучают в доменных печах из железосодержащих руд (красного, бурого и магнитного железняка). В состав чугунов, 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, микроструктуры, выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый – передельный чугун, составляющий большую часть выпускаемой металлургической продукции, идет на переработку в сталь. Серый литейный чугун применяют для изготовления фасонного литья строительного профиля (радиаторы, сантехника и архитектурно-художественные изделия).

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, путем окисления и перевода в шлак, удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Полученную сталь классифицируют по способу производства: мартеновская, конвертерная, электросталь, по химическому составу: углеродистая, легированная, по назначению: конструкционная (строительная, машиностроительная), инструментальная и 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: Ст О, Ст 1, …, 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 надежно работают в сварных и клепанных 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 (Cr, Mn, Ni, Co, Mo, Si и т.д.). Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению. В зависимости от суммарного содержания добавок выпускают низколегированную сталь (до 2,5%), среднелегированную (от 2,5 до 10%) и высоколегированную (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, при которой происходит перекристаллизация сплава в твердом 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 термохимическую.

Отжигиспользуют для повышения однородности стали, снятия внутренних напряжений. Нормализация позволяет уменьшить напряжения, имеющие место при получении изделий, и повысить пластичность. Применяя закалкув сочетании с отпуском, увеличивают прочность, твердость, с сохранением заданной вязкости. 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 твердости, прочности, коррозионной стойкости, жаростойкости, износоустойчивости. Используемый режим предусматривает насыщение поверхностного слоя изделия в нагретом состоянии углеродом (цементация), азотом (азотирование) или параллельно азотом и углеродом (цианирование).

Для снятия внутренних напряжений и придания специальных свойств термообработке подвергают и изделия из цветных металлов. Наиболее широкое применение получили сплавы алюминия с магнием, медью, кремнием, благодаря их низкой плотности (2700 кг/м 3 ), высокой электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости, пластичности, хорошей свариваемости, надежности работы при отрицательных температурах, отсутствия магнитных свойств и искрообразования при ударе. Эти материалы используют для получения прессованных холодных и утепленных профилей, тонколистовых изделий для производства сварных и клепанных конструкций (фермы, колонны, сборные каркасы зданий, кровельные и стеновые многослойные панели), подвесных потолков, окон, дверей.

Из сплавов меди в строительстве применяют латунь в виде листов, прутьев, проволоки, труб и бронзу, в качестве архитектурно-художественных изделий и пигмента в красочные составы.

Назначение цинка в строительстве – защита стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, несущих конструкций) от коррозии, свинца, стойкого к коррозии и радиационному излучению, – изготовление специальных труб и защитных экранов.

Применение металлов и сплавов в строительстве представлено
в таблице 3.4.

Свойства металлов, используемых в строительстве

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме углерода черные металлы в небольшом количестве могут содержать кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы. Для придания металлам специфических свойств к ним добавляют некоторые так называемые легирующие вещества — медь, никель, хром и др.

Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали. Чугун представляет собой сплав железа и углерода 2-4,3%. В специальных чугунах — ферросплавах — количество углерода может достигать 5% и более. Присутствующие в чугуне кремний, марганец, фосфор и сера существенно влияют на его свойства: сера и фосфор повышают хрупкость чугуна, а специальная присадка хрома, никеля, магния, алюминия и кремния придает чугуну более высокие жаростойкость, износостойкость, повышенную сопротивляемость коррозии. Чугуны с добавкой указанных веществ называются легированными. В зависимости от формы, в которой углерод находится в чугуне, различают чугуны серые (литейные) и белые (передельные). В серых чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита, а в белом в связанном состоянии в виде цемента.

Пластинки графита, перерезающие металлическую структуру чугуна, понижают его прочность. Модифицированный серый чугун имеет более высокие механические свойства благодаря шаровидной и раздробленной форме графита.

Сталь содержит углерода до 2%. В отличие от чугуна — хрупкого металла — сталь пластична, упруга и обладает высокими технологическими свойствами (способностью обрабатываться).

В зависимости от назначения различают стали конструкционные, содержащие углерода 0,02-0,85%, и инструментальные — 0,65-1,4%. Конструкционные стали, применяемые для строительных конструкций и арматуры железобетона, а также в машиностроении, обладают хорошей пластичностью, низкой хрупкостью.

Повышение же углерода в инструментальных сталях придает им высокую твердость и хрупкость.

Механические и физические свойства сталей (жаростойкость, износостойкость, коррозионная стойкость) повышаются добавкой к ним никеля, хрома, фольфрама, молибдена, кобальта, меди, алюминия и других, называемых легирующими веществами, а стали — легированными.

В зависимости от величины легирующих добавок различают стали низколегированные, содержащие до 2% легирующих веществ, среднелегированные — 2-10% и высоколегированные — более 10%. Строители широко применяют низколегированную сталь. Нержавеющая сталь является высоколегированной. Цветные металлы и сплавы подразделяются по плотности на легкие и тяжелые. К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния, а к тяжелым — на основе меди, никеля, олова, свинца.

Строение металлов и их свойства.

Металлы и металлические сплавы представляют собой кристаллические тела, состоящие из бесчисленного множества кристаллических образований, группирующихся в виде отдельных прочно связанных между собой зерен. Большинство их имеет кубическую объемно-центрированную (хром, ванадий, молибден, вольфрам и некоторые другие) и кубическую гранецентрированную решетки (алюминий, медь, никель, свинец, золото и серебро). Железо может быть в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов.

Это явление называется аллотропией. Аллотропические превращения железа наблюдаются при изменении температуры. Железо из расплавленной массы кристаллизуется в форме решетки объемно-центрированного куба, при охлаждении до температуры 1390°С она перекристаллизовывается в решетку гранецентрированного куба, а при 898°С снова образует решетку объемно-центрированного. Аллотропия железа имеет большое значение в процессах горячей механической и термической обработки чугуна и стали. Регулируя закалкой, отжигом и другими способами содержание этих модификаций в сталях, придают им заданные механические свойства.

При затвердении расплава металла вначале образуются мельчайшие кристаллы правильной формы, затем, по мере охлаждения, они увеличиваются в размерах и срастаются между собой в виде деформированных неправильной внешней формы кристаллов, называемых кристаллитами.

Их хорошо видно под микроскопом.

Физические свойства металлов и сплавов характеризуются цветом, плотностью, температурой плавления, теплопроводностью, коэффициентом температурного расширения.

Плотность большинства металлов превышает 7000 кг/м. куб., а легких металлов (алюминия, бериллия, магния) — менее 3000 кг/м. куб. Чем меньше плотность металла, тем легче и эффективнее оказываются строительные конструкции из него. Вот почему конструкции из сплавов на основе алюминия все шире применяются в строительстве. Температуру плавления мёталлов важно знать для выбора режима горячей обработки металлов и получения изделий литьем. Температура плавления металла изменяется. При добавке к нему других веществ. Большинство сплавов, например на основе железа, имеют температуру плавления ниже, чем входящие в их состав металлы. Однако некоторые сплавы цветных металлов, например, никеля и алюминия, имеют более высокую температуру плавления, чем чистый никель и алюминий. Изменение температуры плавления металла от содержания в нем других веществ характеризуется диаграммой состояния.

Расширение металлов при нагревании характеризуется коэффициентом линейного и объемного расширения.

Это свойство металла необходимо учитывать при проектировании металлических строительных конструкций, так как последние под действием изменяющейся температуры могут вызвать разрушение сооружения.

Важно учитывать это свойство металла при сварке, так как в результате местного нагрева свариваемых деталей может произойти образование трещин. Способность металла удлиняться при нагревании эффективно используется при производстве предварительно напряженных железобетонных изделий способом электротермического натяжения арматуры.

Механические свойства металлов характеризуются их прочностью, твердостью, ударной вязкостью, усталостью и ползучестью.

Прочность — это способность металла или сплава сопротивляться действию внешних сил.

В зависимости от характера этих сил различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении.

Характеризуются они соответствующим пределом прочности, т. е., условным напряжением, при котором испытуемый образец металла разрушается. Универсально испытание на растяжение, применяемое для всех металлов и сплавов. Специфическим, например для серого чугуна, является испытание при сжатии и изгибе.

При испытании металлов при растяжении определяют предел текучести — напряжение, при котором растяжение образца происходит без увеличения растягивающей нагрузки. Этот показатель служит основным при расчете металлических конструкций.

На усталость, или выносливость, испытывают образцы из стали и цветных тяжелых и легких сплавов, детали из которых работают в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, сжимающих, крутящих и других нагрузок.

На ползучесть, т. е., способность деформироваться под постоянной нагрузкой, испытывают металлы, непрерывно работающие под напряжением. В результате ползучести могут увеличиться прогибы строительных конструкций, произойти потеря устойчивости.

Особенно опасна ползучесть арматурной стали в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Как результат ее, может произойти потеря предварительного напряжения арматуры, образование трещин в бетоне и разрушение конструкции.

Твердость металла определяет противодействие его при вдавливании в него твердого стального шарика (метод Бринелля), алмазного корпуса или алмазной пирамиды. Вязкость различают статическую и ударную (динамическую).

Статическая вязкость характеризуется относительным удлинением (в % длины образца при разрыве) к его первоначальной длине, а ударная вязкость — количеством работы, потребной для разрушения образца ударной нагрузкой. кровельный строительство декоративный

Технологические свойства характеризуют способность металла подвергаться обработке. К ним относятся:

Источник https://studfile.net/preview/3973512/page:41/

Источник https://studopedia.ru/6_142818_svoystva-metallov-i-splavov-ih-primenenie-v-stroitelstve.html

Источник https://studwood.net/1778945/nedvizhimost/svoystva_metallov_ispolzuemyh_stroitelstve