4.3 Металеві матеріали й вироби

Метали - найпоширеніші й широко використовувані матеріали у виробництві й в побуті людини. Особливо велике значення металів у наш час, їх використовують у машинобудівній промисловості, на транспорті, у промисловому, житловому й шляховому будівництві, а також в інших галузях народного господарства.

Метали, застосовувані в будівництві, розділяють на чорні й кольорові. У будівництві звичайно застосовують не чисті метали, а їхні сплави. Найбільше поширення одержали сплави на основі чорних металів (приблизно 94 %) і незначне - сплави кольорових металів.

Фізичні властивості

Електричні властивості. Питома електропровідність металів при кімнатній температурі σ~10-6–10-4 ом-1 см-1, тоді як у діелектриків, наприклад, у сірки, σ~10-17 ом-1 см-1. Проміжні значення σ відповідають напівпровідникам. Характерною властивістю металів як провідників електричного струму є лінійна залежність між густиною струму й напругою прикладеного електричного поля. Носіями струму в металах є електрони провідності, що мають високу рухливість. Відповідно до квантово-механічної теорії, в ідеальному кристалі електрони провідності (при повній відсутності теплових коливань кристалічної решітки) взагалі не зустрічають опору на своєму шляху. Існування в реальних металах електроопору є результатом порушення періодичності кристалічної решітки. Ці порушення можуть бути пов'язані як з тепловим рухом атомів, так і з наявністю примісних атомів, вакансій, дислокацій та ін. дефектів у кристалах. На теплових коливаннях і дефектах (а також один на одного) відбувається розсіювання електронів.

При нагріванні металів до високих температур спостерігається «випар» електронів з поверхні металів (термоелектронна емісія). Емісія електронів з поверхні металів відбувається також під дією сильних електричних полів ~ 107 в/см у результаті тунельного просочування електронів через знижений полем потенційний бар'єр. У металах спостерігаються явища фотоелектронної емісії, вторинної електронної емісії та іонно-електронної емісії. Перепад температури викликає в металах появу електричного струму або різниці потенціалів

Теплові властивості. Теплоємність металів обумовлена як іонним кістяком (решіткова теплоємність Ср), так й електронним газом (електронна теплоємність Сэ). Хоча концентрація електронів провідності в металах дуже велика й не залежить від температури, електронна теплоємність мала й у більшості металів спостерігається тільки при температурах у кілька градусів Кельвіна. Теплопровідність металів здійснюється головним чином електронами провідності.

Магнітні властивості. Перехідні метали з недобудованими f- і d-електронними оболонками є парамагнетиками. Деякі з них при певних температурах переходять у магнітовпорядкований стан. Магнітне впорядкування істотно впливає на всі властивості металів, зокрема на електричні властивості: до електроопору вносить вклад розсіювання електронів на коливаннях магнітних моментів. Гальваномагнітні явища при цьому також здобувають специфічні риси.

Застосування металів у будівництві

Чорні сплави  - сплав заліза з вуглецем. Залежно від вмісту вуглецю вони підрозділяються на сталі (вміст вуглецю < 2 %) і чавуни (вміст вуглецю > 2 %). Крім того, у них можуть знаходитися в більшій або меншій кількості й інші хімічні елементи (кремній, марганець, сірка, фосфор). З метою надання чорним металам специфічних властивостей до їх складу додають легуючі добавки (нікель, хром, мідь та ін.).

Сталь за хімічним складом поділяють на вуглецеву й леговану. У будівництві сталь використають для виготовлення конструкцій, армування залізобетону, виготовлення покрівельних матеріалів, риштовання, огорож, форм залізобетонних виробів і т.д. Правильний вибір марки сталі забезпечує ощадливу її витрату й успішну роботу конструкції.

Для виготовлення несучих (розрахункових) зварених і клепаних конструкцій рекомендують наступні види сталей: мартенівську - марок ВМСтЗпс (сп, кп), низьколеговану - марок 15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД; природно-леговану - марок 15ХСНД, 10ХСНД; киснево-конверторну - марок ВКСтЗсп (пс, кп).

Сталі марок Ст4 і Ст5 рекомендують для конструкцій, що не мають зварених з’єднань і для зварених конструкцій, що сприймають лише статичні навантаження. Сталь для конструкцій, що працюють на динамічні й вібраційні навантаження й призначених для експлуатації в умовах низьких температур, повинна додатково перевірятися на ударну в'язкість при негативних температурах.

До сталі для мостових конструкцій висувають спеціальні вимоги (ГСТУ 6713-75) з однорідності й дрібнозернистості, відсутності зовнішніх дефектів, показника міцності і деформаційних властивостей.

Для армування залізобетонних конструкцій сталь застосовують у вигляді стрижнів, дроту, зварених сіток, каркасів. Арматурна сталь може бути гарячекатаною (стрижнева) і холоднотянутою (дротова). За формою сталь найчастіше буває кругла, а для поліпшення зчеплення - періодичного профілю. В окремих випадках для підвищення механічних властивостей сталь обробляють наклепом і застосовують термічну обробку.

Стрижневу арматуру залежно від механічних властивостей ділять на класи: A-I, A-II, A-III, A-IV й ін. При позначенні класу термічно зміцненої арматурної сталі додають індекс «т» (наприклад, Ат-III), зміцнену витяжкою – «в» (наприклад, А-Шв).

Арматурний дріт може бути холоднотянутий класу B-I (низьковуглецевий) для ненапруженої арматури і класу В-II (вуглецевий) для напруженої арматуры. Для звичайного армування переважно застосовують арматурну сталь класів A-III (марок 25Г2С, 35ГС та ін.), А-II (марок Ст5) і звичайний арматурний дріт, а при особливому обґрунтуванні також A-I (марки Стз) і А-IIв. Для попередньо напруженого армування використовують високоміцний дріт, арматурні пасма й арматури класу A-IV (марок ЗОХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц та інші низьколеговані сталі), а також зміцнену витяжкою сталь класу А-IIIв (марок 35ГС, 25Г2С).

Сортамент прокатного металу й металовиробів у будівництві різноманітний: сортова сталь, прокатна сталь листова, куточки, швелери, двотаври, труби та ін. є основою для виготовлення металевих конструкцій (балки, колони, ферми й т.д.). На сортаменти є ДСТУ найбільш раціональних типів профілів і частоти їх градацій.

Сортова сталь: кругла (діаметром 10...210 мм) застосовується для виготовлення арматури, скоб, болтів; квадратна (сторона квадрата 10...100 мм); смугова (шириною 12...20 мм) - для виготовлення з'єднань, хомутів, бугелів.

Сталь листова включає листову товщиною від 4…160 мм, шириною 600...3800 мм; тонколистова покрівельна - чорна й оцинкована товщиною до 4 мм; широкополочна товщиною 6...60 мм, шириною 200...1500 мм, довжиною 5...12 м.

Кутові профілі (рівнополичкові й нерівнополичкові) випускають площею перерізу 1,0...140 см2.

Швелери характеризуються перерізом швелерів і визначаються його номером, що відповідає висоті стінки швелера в сантиметрах.

Двотаври – основний балковий профіль – різноманітні за типами; позначаються номером, що відповідає їх висоті в сантиметрах. Труби круглі мають діаметр 8-1620 мм. Труби можуть бути квадратного й прямокутного перерізу.

У будівництві також широко застосовують спеціальні профілі й металеві матеріали: сталеві канати й дріт, профільовані настили і т.д.

Чавуни - це залізовуглецеві сплави, що містять більше 2 % вуглецю. Чавун має більш низькі механічні властивості, ніж сталь, але є дешевшим й добре відливається у вироби складної форми. Розрізняють кілька видів чавуну.

Білий чавун, в якому весь вуглець (2,0...3,8 %) перебуває у зв'язаному стані у вигляді Fe3C (цементити), що й визначає його властивості: високу твердість і крихкість, гарний опір зношуванню, погану оброблюваність різальними інструмент. Білий чавун застосовують для одержання сірого й ковкого чавуну й сталі.

Сірий чавун містить вуглець у зв'язаному стані тільки частково (не більше 0,5 %). Інший вуглець перебуває в чавуні у вільному стані у вигляді графіту. Графітові включення роблять кольори зламу сірими. Чим злам темніше, тим чавун м'якше. Утворення графіту відбувається в результаті термічної обробки білого чавуну, коли частина цементиту розпадається на м'яке пластичне залізо й графіт. Залежно від того, яка структури переважає, розрізняють сірий чавун на перлітнії, феритній або феритоперлітній основі.

Властивості сірого чавуну залежать від режиму охолодження і наявності домішок. Наприклад, чим більше кремнію, тим більше виділяється графіту, тому чавун робиться м'якіше. Сірий чавун має помірну твердість і легко обробляється різальним інструментом. Сірий чавун, застосовуваний у будівництві, повинен мати межу міцності при розтягу не менше 120 МПа, а межу міцності при вигині 280 МП.

Із сірого чавуну відливають елементи конструкцій, що добре працюють на стиск: колони, опорні подушки, башмаки, тюбінги, опалювальні батареї, труби водопровідні каналізаційні, плити для підлог, станини й корпусні деталі верстатів, голівки й поршні двигунів, зубчасті колеса та інші деталі.

Ковкий чавун одержують після тривалого відпалу білого чавуну при високих температурах, коли цементит майже повністю розпадається з виділенням вільного вуглецю на феритній або перлітній основі. Вуглецеві включення мають округлу форму. На відміну від сірих ковкі чавуни є більше міцними і пластичними й легше обробляються.

Високоміцні (модифіковані) чавуни значно перевершують звичайні сірі за міцністю й мають пластичні властивості. Їх застосовують для виливки відповідальних деталей.

При випробуванні сірого й високоміцного чавунів визначають межу міцності при розтяганні, вигині й стиску, а при випробуванні ковкого чавуну - межу міцності при розтяганні, відносне подовження і твердість.

При маркуванні сірого й модифікованого чавуну, наприклад СЧ12-28, перші дві цифри позначають межу міцності при розтяганні, наступні дві - межу міцності при вигині.

Кольорові метали й сплави

Кольорові метали й сплави діляться за густиною на легкі (густиною до 5000 кг/м3), наприклад, сплави на основі алюмінію і магнію й важкі (густиною вище 5000 кг/м3) – сплави на основі міді. Розрізняють також тугоплавкі сплави на основі молібдену й ванадію.

Сплави кольорових металів застосовують для виготовлення деталей, що працюють в умовах агресивного середовища і піддаються тертю, що вимагають великої теплопровідності, електропровідності й зменшеної маси.

Мідь – метал червонуватих кольорів, що відрізняється високою теплопровідністю й стійкістю проти атмосферної корозії. Міцність невисока: σв = 180...240 МПа при високій пластичності s >50 %.

Латунь – сплав міді з цинком (10...40 %), добре піддається холодній прокатці, штампуванню, витягуванню σв=250...400 МПа, σв =35...15 %. При маркуванні латуней (Л96, Л90, ..., Л62) цифри вказують на вміст міді у відсотках. Крім того, випускають латуні багатокомпонентні, тобто з іншими елементами (Мn, Sn, Pb, Al).

Бронза – сплав міді з оловом (до 10 %), алюмінієм, марганцем, свинцем та іншими елементами. Має добрі ливарні властивості (вентилі, крани, люстри). При маркуванні бронзи Бр. ОЦСЗ-12-5 окремі індекси позначають: Бр – бронза, О – олово, Ц – цинк, С – свинець, цифри 3, 12, 5 – вміст у відсотках олова, цинку, свинцю. Властивості бронзи залежать від її складу: σв=150...200 МПа, δ =4...8 %, НВ60 (у середньому).

Алюміній – легкий сріблястий метал, що має низьку міцність при розтяганні – σв = 80...100 МПа, твердість – НВ20, малу густину– 2700 кг/м3, стійкість до атмосферної корозії. У чистому вигляді в будівництві його застосовують рідко (фарби, газоутворювачі, фольга). Для підвищення міцності до його складу додають легуючі добавки (Мn, Сn, Mg, Si, Fe) і використають деякі технологічні прийоми. Алюмінієві сплави ділять на ливарні, застосовувані для виливки виробів (силуміни), і деформовані (дюралюміни), що йдуть для прокатки профілів, листів і т.п.

Силуміни – сплави алюмінію із кремнієм (до 14 %), вони мають високі ливарні якості, малу усадку, міцність σв = 200 МПа, твердість НВ50...70 при досить високій пластичності δ=5...10 %. Механічні властивості силумінів можна істотно поліпшити шляхом модифікування. При цьому збільшується ступінь дисперсності кристалів, що підвищує міцність і пластичність силумінів.

Дюралюміни— складні сплави алюмінію з міддю (до 5,5 %), кремнієм (менш 0,8 %), марганцем (до 0,8 %), магнієм (до 0,8 %)  та ін. Їхні властивості поліпшують термічною обробкою (загартуванням при температурі 500...520 °С з наступним старінням). Старіння здійснюють на повітрі протягом 4...5 діб при нагріванні на 170 оС протягом 4...5 годин. Межа міцності дюралюмінів після загартування й старіння становить 400...480 МПа й може бути підвищена до 550...600 МПа в результаті наклепу при обробці тиском.

Останнім часом алюміній і його сплави все ширше застосовують у будівництві для несучих конструкцій і тих, що обгороджують. Особливо ефективне застосування дюралюмінів у конструкціях для великопрольотних споруд, у збірно-розбірних конструкціях, при сейсмічному будівництві, у конструкціях, призначених для роботи в агресивних середовищах. Почалося виготовлення тришарових начіпних панелей з листів алюмінієвих сплавів із заповненням пінопластовими матеріалами. Шляхом введення газоутворювачів можна створити високоефективний матеріал - піноалюміній із середньою густиною 100...300 кг/м3.

Всі алюмінієві сплави піддаються зварюванню, але воно здійснюється більш важко, ніж зварювання сталі, через утворення тугоплавких оксидів Аl2О3. Особливостями дюралюміна як конструкційного сплаву є низьке значення модуля пружності, приблизно в 3 рази менше, ніж у сталі, вплив температури (зменшення міцності при підвищенні температури більше 400°С і збільшення міцності й пластичності при негативних температурах); підвищений приблизно в 2 рази в порівнянні зі сталлю коефіцієнт лінійного розширення; знижена зварюваність.

Титан останнім часом почали застосовувати в різних галузях техніки завдяки його унікальним властивостям:

- високій корозійній стійкості (практично не кородує в атмосфері, прісній і морській воді, стійкий проти кислотної й газової корозії);

- малій густини в порівнянні зі сталлю (4500 кг/м3);

-  високій міцності (R = 450-650 МПа);

-  підвищеній теплостійкості (температура плавлення 1660 оС).

На основі титану створюються легкі й міцні конструкції зі зменшеними габаритами, здатні працювати при підвищених температурах. Основний компонент титанових сплавів - алюміній, його в них знаходиться до 6,5 %. Крім цього в титанові сплави вводять такі компоненти, як марганець, хром, молібден, ванадій.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я