Металлы - кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро – и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и др. специфическими свойствами.
Сплавы– это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов.
Металлы, применяемые в строительстве, разделяют на две основные группы:
- черные (сталь, чугун)
- цветные (все металлы на основе алюминия, меди, цинка, титана).
На долю черных металлов приходится около 95 % производимой в мире металлической продукции.
7.1. Цветные металлические материалы
Цветные металлы и сплавы на их основе производятся в значительно меньших количествах (5 % мирового производства металлов) чем черные, и применяют в специальных случаях, так как стоимость их по сравнению с черными металлами высока.К цветным металлическим материалам относятся металлы, в которых отсутствует железо. Реально в строительстве находят применение сплавы меди и алюминия; большие перспективы имеют сплавы на основе титана.
Медь — мягкий, пластичный цветной металл красноватого цвета, плотностью 8960 кг/м3, отличающийся высокой теплопроводностью (λ= 390 Вт/мК) и электропроводностью. Прочность меди не велика (Rp = 180-240 МПа); температура плавления — 1080о С. Медь применяют в основном в виде сплавов: латуни (медь + цинк) и бронзы (медь + олово).
Алюминий– легкий серебристый металл (плотность 2700 кг/м3) с низкой прочностью (Rp = 80-100 МПа)характеризуется высокой электро- и теплопроводностью(λ=210Вт/мК), температура плавления — 660. Его применяют при возведении легких конструкций зданий и сооружений; конструкций, подверженных действию агрессивной коррозионной среды, а также конструкций и изделий, к внешнему виду которых предъявляются повышенные требования (элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты высотных зданий и т. п.).
Титан и титановые сплавы - лёгкий прочный цветной металл серебристо-белого цвета; плотностью (4500 кг/м3) имеющий высокую прочность (Rp = 700-1200 МПа) и высокую коррозионную стойкость температура плавления — 1670. Из-за очень высокой стоимости и дефицитности титан в строительстве применяют только для уникальных сооружений (например, памятник космонавтам у станции метро «ВДНХ» в Москве).
Цветные металлы в основном используют, когда требуется высокая коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, повышенные декоративные качества, а для сплавов на основе алюминия — малый вес конструкций.
Алюминиевые сплавы применяют для гнутых профилей, несущих конструкций навесных фасадов, трехслойных панелей типа «сэндвич», сайдинга, подвесных потолков и т.д.
Сплавы на основе меди для водопроводных труб, фитингов, декоративных деталей интерьера и фасадов.
7.2. Черные металлы
7.2.1 Чугуны
Чугун — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода - 2,14–6,67% , а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Плотность- 6800 до 7200 кг/м3,прочность (Rp = 370-630 МПа), температура плавления — 1150 -1200о С.
Преимущества:
1. Низкая температура плавления. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.
2. Твердость.Она достигает 7,5 баллов по шкале Мооса. Этот результат превышает показатели кварца и лишь на 2,5 балла меньше от твёрдости алмаза.
3. Изотропность.
4. Равномерное распределение тепла + длительное его хранение.
5. Долговечность.
6. Экологичность.
Недостатки:
1. Хрупкость.
2. Подверженность коррозии.
3. Изготовление только литьем, невозможность сварки.
4. Низкая огнестойкость.
Чугун выплавляют в доменных печах из железных руд, содержащих 20…70 % железа. В руде, кроме железа, имеется пустая порода, состоящая из различных природных химических соединений (SiO2, А12О3 и др.) и вредных примесей (серы, фосфора). Наиболее часто применяемые железные руды: красный, магнитный, бурый и шпатовый железняк и легированные руды.
Чугуны являются как конструкционным материалом, так и полуфабрикатом при производстве сталей.
Применяется в системах водоснабжения, водоотведения, отопления, канализации, иногда несущих элементах, при этом активно вытесняется современными материалами.
7.2.2. Сталь.
Сталь–основной конструкционный материал, применяемый в строительстве. Она представляет собой сплавы железа и углерода с содержанием углерода 0,02-2,14 %. Решающее влияние на механические свойства углеродистых сталей оказывает содержание в них углерода. При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.
Плотность- 7700 – 7900 кг/м3, прочность (Rp = 300-900 МПа), температура плавления — 1450 - 1520о С.
По назначению стали делятся на три группы:
1. Конструкционные стали (для изготовления деталей машин и элементов строительных конструкций).
2. Инструментальные стали, подразделяют на подгруппы по изготовлению: режущего инструмента; измерительного инструмента; штампово-прессовой оснастки.
3. Стали специального назначения с особыми физическими и механическими свойствами: нержавеющие; жаростойкие; жаропрочные; износостойкие.
Преимущества:
1. Изотропность.
2. Высокая прочность, жесткость (модуль Юнга) (300-900 МПа);
1. Непроницаемость. Еще одно полезное свойство металлов – они не проницаемы для газов и жидкостей. Все соединения стальных конструкций производятся с помощью сварки, и это является основным условием при производстве резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов.
2. Ремонтопригодность. Стальные конструкции легко поддаются переделке. Используя сварку, можно прикрепить к каркасу новые детали или технологическое оборудование
3. Технологичность(хорошая способность к ковке, штамповке, прокатке, литью, сварке, обработке резанием и др.);
4. Возможность управления свойствами в широких пределах с помощью легирования, деформационной, термической, химико-термической и др. видов обработки;
5. Высокая степень рециркуляции (за счет переработки металлолома).
Недостатки:
1. Подверженность коррозии.
2. Малая огнестойкость. Если на металлоконструкции воздействовать высокими температурами они теряют свою несущую способность(для стали — 600°С).
В строительстве стали применяются для несущих конструкций (балки, колонны, ферменные элементы, связи), в качестве прокатных элементов, трубопроводов, резервуаров, а так же,в качестве арматуры для различных ж/б элементов.
Строительные стали обозначают С235, С245, С255, С345 и т.д. Буква С означает сталь строительная, цифры предел текучести в МПа.
Получение сталей чаще всего производят в мартеновских печах, которые могут работать на газовом и жидком топливе, подаваемом в распыленном виде.
В основу конверторного способа получения сталейположена продувка воздухом жидкого чугуна с малым содержанием серы и фосфора.
В настоящее время наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами являются электрические печи, в которых плавление металла осуществляют с помощью электрической энергии.Различают два вида электрических печей: дуговые и индукционные. Наиболее широко применяют дуговые печи. Выбор способа получения сталей зависит от требований к ним, экономической целесообразности и свойств получаемых стальных изделий.
Согласно действующей классификации сталь по составу делится на два вида:углеродистая сталь и легированная сталь.
Углеродистая сталь кроме железа и углерода содержит в большем или меньшем количестве и другие элементы (кремний, марганец, сера, фосфор), которые называют нормальными примесями при их содержании в пределах нормы.
Легированная сталь содержит, кроме нормальных примесей, никель, хром, титан, вольфрам и другие элементы называемые легирующими (т.е. улучшающими свойства) в количестве 2-10%.
7.3. Свойства металлов и методы их улучшения
К механическим свойствам металлов относятся предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость; к технологическим –жидкотекучесть, свариваемость, ковкость, электропроводность, магнитность и др.
Для повышения качества металлических материалов, и в первую очередь, сталей применяют термическую обработку.
Термической обработкой называют процессы нагрева и охлаждения стальных изделий, проведенные по определенному режиму с целью повышения качества изделия, связанного с изменением структуры. Основные виды термической обработки – отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании. При отжиге производят нагрев стального изделия до температуры выше верхних критических точек на 30…50 °С, выдержка при этих температурах и последующим медленным охлаждении. Данный вид обработки производится для уменьшения неоднородности стали.
Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить однородную мелкозернистую структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации производят нагрев стального изделия до температуры выше верхних критических точек на 30…50 °С, выдержка при этих температурах и последующем охлаждении на воздухе.
Закалка – процесс нагрева металла до высокихтемператур с выдерживанием при этих температурах до полного прогрева слитка и последующим очень быстрым охлаждением. При данном процессе повышается твердость и прочность металла.
Отпуск – нагрев закаленной стали до небольших температур (не выше 600 оС) и охлаждении. В результате отпуска происходит снижение внутренних напряжений, возникших при закалке, снижение твердости и хрупкости.
7.4. Защита металлических конструкций от коррозии
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. Ежегодно в мире в результате коррозии теряется 10...15 % выплавляемого металла или 1...1,5 % всего металла, накопленного и эксплуатируемого человеком. В наибольшей степени коррозии подвергаются черные металлы (сталь и чугун).
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.
Методы защиты:
1. электрохимическая защита, с помощью установки прожектора из более активного металла на защищаемую металлоконструкцию.
2. Простой, но не долговечный — нанесение на его поверхность водонепроницаемых неметаллических покрытий (битумных, масляных и эмалевых красок).
3. Покрытие металла тонким слоем пластмассы.
Защитить металл от коррозии можно также, покрывая его слоем другого более коррозионно-стойкого металла: оловом, цинком, хромом, никелем и др.
Для получения металлов, хорошо противостоящих коррозии, применяют легирование. Так, вводя в сталь хром и никель в количестве 12...20%, получают нержавеющие стали, стойкие не только к воде, но и к минеральным кислотам.