Общие сведения о строительных металлах, их строение и свойства

Изучением связи состава, строения и свойств металлов и сплавов занимается металловедение, возникшее как самостоятельная наука в XIX в. Большой вклад в развитие металловедения внесли русские и советские ученые П. П. Аносов, Д. К. Чернов, А. А. Байков, Н. И. Беляев, А. М. и А. А. Бочвары, Г. В. Курдюмов и др. Макро- и микроструктуры металлов и сплавов являются предметом изучения составной части металловедения-металлографии.

Вопросы проектирования и применения металлических конструкций в строительстве зданий и сооружений изучаются в соответствующих разделах курсов теоретической механики и строительных конструкций. Здесь даны краткие сведения о применяемых в архитектурном творчестве металлических материалах и изделиях.

В современном строительстве черные и цветные металлы применяют преимущественно в виде сплавов. Широко используют различные виды сталей, значительно меньше чугуны; среди цветных металлов первое место по применению в строительстве занимают алюминиевые сплавы. Наряду с этими металлами архитектурно-строительной практике и скульптуре известны медь, бронза, латунь, а также некоторые другие цветные металлы, главным образом в виде добавок, регулирующих свойства сплавов, и в виде тонких защитно-декоративных покрытий изделий из металлов, пластмасс и других материалов. Строительные металлы используют в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в кровельных и других покрытиях, в наружной и внутренней отделке зданий, в защитно-декоративных покрытиях; для изготовления арматуры железобетонных, армоцементных и других изделий, труб и фасонных частей к ним, промышленного, санитарно-технического и бытового оборудования, а также различных метизов и др.

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ - под этим названием объединяют железо и его сплавы (с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором, серой и другими элементами), чугун, сталь, ферросплавы. Железо-блестящий серебристо-белый металл, широко распространенный в природе (в свободном состоянии встречается крайне редко). Оно пластично, легко куется в холодном и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и другим способам механической обработки. Способность железа растворять углерод и другие элементы является основой получения различных сплавов. Свойства железа (с содержанием примесей до 0,01% по массе): плотность 7870 кг/м³, теплопроводность 74 Вт/(м*°С), температурный коэффициент линейного расширения 1,17-10^-7, модуль Юнга 19-21•10⁴ МПа, кратковременная прочность на растяжение 170-210 МПа, предел текучести 100 МПа.

С глубокой древности железо использовали как архитектурно-художественный материал для изготовления скульптур, колонн, кованных оград, кронштейнов, флюгеров, скобяных изделий и пр. В настоящее время железо используют только в монументальном и прикладном искусстве и при реставрации памятников архитектуры.

Чугун - сплав железа с углеродом (обычно 2-4,3%), содержащий постоянные примеси кремния, марганца, фосфора и серы, а иногда и легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий и др.). Чугун разделяют на передельный, используемый для передела в сталь, и литейный, служащий одним из основных компонентов шихты для литья элементов строительных конструкций, санитарно-технических и других изделий.

Прочность чугуна с включениями шаровидной формы достигает 500 МПа (а в литом состоянии до 1200 МПа). Такой чугун называют высокопрочным. Легированные чугуны применяют как жаропрочные, коррозионностойкие материалы.

Чугун издавна применяют для художественных отливок и скульптуры. В России с этой целью он используется со второй половины XVII в. С конца XVIII в. он находит разнообразное применение в архитектуре. Широкое использование чугунных конструкций характерно для зодчества XIX в.-«века чугуна». Чугунное литье получило применение в парковой скульптуре, оградах, решетках (рис. 65), садовой мебели, фонарях и пр.

Сталь - ковкий (деформируемый) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. От хрупкого чугуна она отличается пластичностью и упругостью. По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. В состав углеродистых сталей кроме железа и углерода входят марганец (до 1%), кремний (до 0,4%), а также попадающие в связи с технологией изготовления вредные примеси (сера, фосфор). По содержанию углерода стали делят на низкоуглеродистые 0,25%), среднеуглеродистые (0,25-0,6%) и высокоуглеродистые (более 0,6%). Легированные стали обычно называют по преобладающему в ней легирующему элементу - вольфрамовая, хромомолибденовая, хромоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая, высокохромистая и т.п.

По назначению стали делят на конструкционные, применяемые строительных конструкций, армат железобетона, в машиностроении, инструментальные и стали с особь свойствами (нержавеющие, кисло, стойкие, жаропрочные и др.). Конструкционные (в том числе строительные) стали могут быть углеродистыми (до 0,7% углерода) и легированными (в основном с добавкой хрома и никеля).

Стали, основным компонентом которых является железо, присущ свойственный ему диморфизм-способность кристаллической решетки материала менять свое строение при изменении внешних условий (нагреве, охлаждении и др.), сохраняя химический состав. Для чистого железа известны две кристаллические решетки: кубическая объемноцентрированная и кубическая гранецентрированная. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию так называемых твердых растворов. Растворимость углерод в железе ограничена (такой раствор называется ферритом), избыточный углерод образует с железом химическое соединение-карбид желе (или цементит). При обычной температуре структура стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений, либо в виде тонкой смеси называемой перлитом.

Многообразие свойств стали обусловлено соотношением различных фаз в ее структуре которое, в свою очередь, определяется прежде всего содержанием углерода. Так, повышение содержания углерода повышает хрупкость стали, но придает ей большую твердость. Сталь, содержащая около 0,1% углерода, характеризуется высокой пластичностью (в ее структуре преобладает феррит); ее используют для изготовления тонких листов. Сталь перлитной структуры, содержащая около 0,6% углерода, обладает высокой прочностью и твердостью и в то же время достаточно пластична. Свойства стали регулируют легированием, термической, термомеханической, химико-термической обработкой.

Благодаря высокой прочности стали на сжатие, растяжение, изгиб (предел прочности достигает 2000 МПа и выше, предел текучести 1500 МПа) строительные стальные конструкции отличаются от несущих конструкций из других материалов высокой надежностью, значительно меньшими габаритами и массой, несмотря на большую плотность стали (7860 кг/м³). Свойства стали обусловливают широкий диапазон ее применения (от несущих каркасов высотных зданий до тонких декоративных облицовок), индустриальность изготовления и монтажа конструкций, разнообразие и выразительность архитектурно-конструктивных форм. Вместе с тем стальные конструкции нуждаются в эффективных методах защиты от коррозии и огня, требуют значительных единовременных и эксплуатационных затрат.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ - техническое название всех нежелезных металлов и их сплавов. В строительстве широко применяют, в основном, сплавы алюминия, значительно меньше - сплавы меди, цинка, олова, свинца и других цветных металлов. Весьма перспективно использование титановых и магниевых сплавов. В чистом виде цветные, в том числе благородные (золото, серебро), металлы применяют при реставрации памятников архитектуры и искусства. Различные цветные металлы и сплавы применяют в отделке общественных зданий, для изготовления электроарматуры, скобяных изделий, в отделке мебели, в произведениях монументального и декоративно-прикладного искусства (скульптура, чеканка), для защиты.

Термин «цветные металлы» в русском языке соответствует термину «нежелезные металлы» во многих других языках (англ.- nonferrous metals, франц.-metaux non-ferreux, нем.-Nichteisenmetalle и др.).

Наибольшее число цветных металлов используется как легирующие материалы: в стали и чугуне - хром, никель, марганец, кремний, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, кобальт, алюминий и медь; в алюминиевых сплавах - медь, магний, кремний, никель, хром, марганец, кобальт и цинк; в сплавах меди - цинк, олово, свинец, алюминий, никель, кремний и др.; в титановых сплавах - алюмомолибден, ванадий, марганец, медь, цинк, кремний и др. Для лучшего усвоения легирующие элементы вводят не в чистом виде, а в лигатуре - вспомогательном сплаве, добавляемом в жидкие металлы или сплавы, чтобы изменить их химический состав и улучшить эксплуатационные и технологические свойства.

Алюминий - серебристо-белый металл (при обычных условиях покрыт окисной пленкой), самый распространенный в природе среди металлов; в свободном состоянии из-за высокой химической активности не встречается, содержится в бокситах, нефелинах, каолинах и пр. Кристаллическая решетка алюминия - кубическая гранецентрированная; плотность 2,7 г/см³; отличается высокой коррозионной стойкостью, пластичностью, легко поддается прокатке, ковке, прессованию и другой механической обработке; предел прочности при растяжении 80-100 МПа (после холодной прокатки до 250 МПа), предел текучести 30 МПа, модуль Юнга 7,1-10 МПа.

В чистом виде алюминий применяют в строительстве в виде алюминиевой пудры (используемой для приготовления красок, эмалей, клеев, в производстве ячеистых бетонов) и для алюминирования (нанесения тонких защитно-декоративных покрытий) других материалов и изделий, а также в качестве легирующих и других добавок. В строительных конструкциях из-за незначительной прочности чистый алюминий не применяют; для этой цели эффективно используют сплавы его медью, марганцем, цинком, кремнием и магнием.

Алюминиевые сплавы, впервые полученные в 50-е годы XIX в. (сплав алюминия с кремнием), отличались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. В начале XX в. были получены сплавы алюминия с медью двойные сплавы), а затем алюминий-медь-марганец (тройные сплавы). Современные алюминиевые сплавы, отличающиеся малой плотностью, высокой прочностью (особенно удельной прочностью), коррозионной стойкостью и другими ценными свойствами, можно разделить на две основные группы: Деформируемые, используемые для из-готовления листов, профилей, плит, труб, фольги и т.п., и литейные для фасонных отливок.

В строительстве применяют, в основном, деформируемые сплавы, на долю которых приходится около, 80% всех алюминиевых сплавов. Двойные сплавы системы алюминий-магний магналии), имеющие высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются, их применяют в мостостроении. Анодная обработка сплавов системы алюминий-магний-кремний позволяет получать красивые декоративно-конструкционные профили. Четверные сплавы системы алюми-ний-марганец-кремний-медь имеют самую высокую прочность (до 50 МПа), но весьма чувствительны концентрации напряжений, разупрочняются при нагреве свыше 100°С, имеют пониженную коррозионную стойкость (из-за меди). Современные многокомпонентные сплавы (с добавками цинка, марганца, меди, магния, примесями железа и кремния, малыми дозами хрома, титана, бериллия и др.), применяемые для изготовления конструкций.

В начале XX в. А. Вильм открыл старение алюминиевых сплавов, приводящее к резкому улучшению их прочностных и других свойств. Это явление было обнаружено на закаленном уралюмине (дюрали) - сплаве на основе алюминия с добавками меди (3-5%), магния (4-2,4°о) и марганца (до 1%).

Медь - мягкий, ковкий металл ного (в изломе розового) цвета, встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, достигает значительных размеров, и в природных рудах в виде сульфидов, окислов, карбонатов и сульфатов меди. 90% мирового производства меди дают сульфидные руды. Металл имеет кубическую гранецентрированную решетку. Свойства меди: плотность 8,96 г/см³ теплопроводность 394 Вт/ (м*°С), температурный коэффициент линейного расширения 1,7-10%, предел прочности при растяжении 220 МПа (от наклепа может быть повышен до 450 МПа, при этом относительное линейное удлинение уменьшается с 60 до 2%). Издавна медь применяется для личных целей в чистом виде: в сплавах; в архитектурно-стpoительной практике прошлого использовалась как кровельный, декоративно отделочный, скульптурный, реже как конструкционный материал.

Медные сплавы получают сплавлением меди с легирующими элементами или с лигатурами. Их подразделяют латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. В латунях основной добавкой является цинк, в бронзах любой элемент (например, олово), кроме никеля. В медно-никелевых сплавах кроме никеля, повышающего коррозионную стойкость, прочность, модуль упругости и температуру плавления в качестве добавок используют железо и марганец (такой сплав называется мельхиор), цинк или свинец (этот сплав называют нейзильбер).

Латунь - наиболее распространенный медный сплав, содержащий 50% (чаще до 20%) цинка. В качестве легирующих элементов медно-цинкового сплава могут применяться алюминий и никель. Применяют латунь преимущественно в виде листов, конструкционных профилей, панелей, кованых изделий, характеризуется высокими пределами прочности до 670 МПа и текучести до 630 МПа, хорошими эксплуатационными и оптическими свойствами.

Медно-никелевые сплавы, отличающиеся высокой коррозионной стойкостью и красивым серебристым цветом, используют для художественно-декоративных изделий: чеканка по листовому мельхиору, рельефные декоративные изделия из нейзильбера (буквальный перевод с немецкого-«новое серебро»).

Среди других цветных металлов, применяемых в незначительных масштабах в тех или иных областях строительства, можно выделить цинк и свинец: цинк - для кровельных и защитных покрытий, а свинец - для зачеканки стыков элементов конструкций (например, между тюбингами туннелей метро), футеровки кислотостойких промышленных агрегатов и т.п.

К конструкционным материалам относятся сплавы магния и титана. Магниевые сплавы (с алюминием, цинком, марганцем, цирконием) весьма прочны (предел прочности до 400 МПа), в том числе жаропрочны. Они самые легкие (плотность 1700-1800 кг/м³ т.е. 1,5 раза меньше плотности алюминиевых) среди сплавов цветных металлов; их целесообразно использовать в конструкциях с высокой стойкостью против вибрации, но необходимо защищать от коррозии (оксидированием, окраской).

Сплавы титана отличаются также высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью (до 400°С); однако сплавы высокой прочности хуже свариваются, чем сплавы средней прочности. Высокая удельная прочность, огнестойкость, малый коэффициент температурного расширения, атмосферостойкость и другие полезные свойства делают эти сплавы перспективными для применения в несущих конструкциях.

2. Основы технологии черных и цветных металлов

Технология металлов охватывает совокупность приемов и способов получения и обработки металлических материалов и изделий. Несмотря на огромное разнообразие металлов, сплавов и изготавливаемой из них продукции, можно выделить ряд общих технологических операций, характерных для современной металлургии - области науки, техники, производства, занятой процессами получения металлов из руд и других материалов, производством металлических сплавов, а также процессами, связанными с изменением состава, структуры и свойств этих сплавов, приданием им определенной формы. Технология металлов объединяет все содержание понятия «металлургия» (от предварительной обработки добытых из недр руд, получения и рафинирования металлов и сплавов до их обработки и придания заданной формы) с литейным производством, сваркой (и пайкой) металлов, нанесением на металл защитных покрытий.

Основы технологии производства чугуна и стали известны из курса химии. Общая схема металлургического процесса производства черных металлов показана на рис. Извлечение металла из природного сырья - железных руд, являющихся горными породами с высоким содержанием окислов железа, происходит в доменных печах, где выплавляют передельные чугуны (80-90% выплавки), применяются для производства стали, и литейные серые чугуны для литья различных деталей. Наиболее богаты железом магнитные и красные железняки (до 70%). В красном железняке меньше вредных примесей (фосфора и серы). В буром и шпатовом железняке до 60%, железа.

Исходные материалы загружают слоями в доменную печь, представляющую собой футерованную огнеупорным кирпичом шахту; снизу в печи подают горячий воздух. Образующая при горении окись углерода восстанавливает из окислов чистое железо; одновременно восстанавливаются содержащиеся в руде марганец, фосфор и кремний.

До Великой Отечественной войны в нашей стране строились доменные печи объемом 1300 м³, выплавлявшие до 500 тыс. т чугуна в год. Сейчас в Криворожье работает крупнейшая в мире доменная печь объемом 5000 м³, проектная мощность 4 млн. т чугуна в год.

Основные способы производства стали кислородно-конвертерный (ранее бессемеровский), мартеновский и электроплавильный. Конвертерную сталь получают в стальных футерованных сосудах (конвертерах) емкость 100-350 т и мощностью до 4,5 млн. т стали в год, продувая жидкий чугун сжатым воздухом, кислородом или газовыми смесями (кислород с углекислым газом или с водяным парой Особенно эффективен и высокопроизводителен кислородно-конвертерный процесс, внедренный в 50-е годы.

В конвертерах выплавляется большая часть сталей массовых марок.

Наряду с совершенствованием традиционной технологии производства чугуна и стали (внедрением мощных агрегатов высокой производительности и большой емкости, применением непрерывной разливки металла, повышением качества и расширением сортамента продукции, внедрением новых методов обработки и нанесения защитных покрытий и т.п.) в одиннадцатой пятилетке получит развитие внедоменное производство металла с прямым восстановлением железорудных материалов газом и выплавкой стали из них. Эта новая технология, внедрение которой намечено на строящемся крупнейшем в мире предприятии (Оскольском электрометаллургическом комбинате), исключает применение дорогостоящего кокса и обеспечит повышение качества металла.

Для производства алюминия используют широко распространенные в земной коре алюминиевые руды, преимущественно бокситы, содержащие около 50-60°о окиси алюминия-глинозема. Технология производства алюминия заключается в выделении окиси алюминия из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированным способом; получении первичного металла (чистого алюминия) электролизом окиси алюминия (в электролизных ваннах - электролизерах), растворенной в расплавленном криолите (ледяном шпате) при температуре 950-1000°С, рафинировании металла, т.е. очистке его от вредных примесей. В связи тем, что чистый алюминий относительно непрочный и мягкий материал, его применяют в виде указанных выше сплавов.

Методом электролитического осаждения получают и другие цветные металлы: осаждением из расплава аналогично алюминию получают магний, а из водных растворов - медь, цинк, никель, кобальт. Дальнейшая переработка полученных одним из указанных способов черных и цветных металлов включает: литейные процессы получения отливок расплавленных металлов и сплавов и слитков, предназначенных для последующей обработки давлением; обработку давлением (штамповку, прессование, прокатку, волочение); термическую обработку (цементацию, закалку, отжиг, отпуск) и другие виды обработки (термомеханическую, химическую, механическую, химико-термическую); нанесение защитных и декоративно-защитных покрытий (цинкование, оксидирование, нанесение пластмассовых, лакокрасочных, эмалевых других покрытий). В процессе производства изделий из металлов и сплавов они могут подвергаться механической обработке резанием (сверление, фрезерование, строгание, шлифование) чеканкой, соединению сваркой (пластической и плавлением), пайкой склеиванием, различным видам художественной обработки.

В процессе литья из расплавленного металла - (чугун, сталь, сплавы меди, алюминия и др.) получают отливки, соответствующие по форме размерам литейным формам, которые изготавливаются из различных материалов (керамических, глиняно-песчаных и др.) и могут быть; разовыми или многократно используемыми, методом литья могут изготавливаться отдельные элементы конструкций, архитектурно-художественные детали, скульптура и пр. Основной способ обработки металла давлением - его прокатка в горячем или холодном состоянии. Способом прокатки (обжатия металла между вдающимися валками) получают значительную часть строительных изделий из стали и профильных, листовых, прутковых, а также трубы; арматуру и др.

Штамповкой и прессованием получают рельефные облицовочные материалы для фундаментов и интерьеров, различные метизы, элементы оборудования (мойки и пр.). Листы и провод из цветных металлов изготавливают прокатом из сортовых профили и трубы - преимущественно способом прессования (выдавливания), заключающегося в экструдировании металла из замкнутого контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение прессуемого профиля.