Классификация металлов

Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.

К черным металлам относятся:

• − железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;

• − тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С

• - титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;

• − урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);

• − редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;

• − щелочноземельные металлы

• - литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

• − легкие – бериллий, магний, алюминий;

• − благородные металлы

• - рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;

• − легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

К металлам и сплавам относятся вещества получаемые порошковой металлургией.

Классификация неметаллических материалов:

• − органические и неорганические полимеры;

• − пластмассы;

• − композиционные материалы;

• − каучуки и резины;

• − клеящие материалы и герметики;

• − лакокрасочные покрытия;

• − графит;

• − стекло;

• − керамика.

• Алюминий получают в процессе электролиза при температуре около 1000 градусов Цельсия бокситного расплава. Области применения алюминия - атомная и электротехника, изготовление теплообменных устройств, отражателей, зеркал, получение алюминиевых сплавов, использующихся в строительстве

• Бериллий получают из сырья берилла и используют в атомной технике. Бериллиевые сплавы, в основном бронзы, применяются в авиации и космической отрасли.

• Вольфрам является хорошим легирующим элементом для инструментальных и быстрорежущих сталей,используется в авиатехнике, для производства нитей накаливания.

• Железо является важным материалом в технической отрасли.

• Золото добывают из золотых месторождений. Металл является составляющим финансовой отрасли государства, применяется в ювелирном деле, в медицине, для производства деталей в электротехнике.

• Из магния получают легкие сплавы, а также металл применяют при изготовлении снарядов, ракет в военном деле.

• Медь применяют в электротехнике, для создания вакуумных приборов. Из медных сплавов получаютбронзу,

• Натрий является хорошим реагентом и катализатором, поэтому широко используется в химической промышленности.

• Из олова изготавливают фольгу, белую жесть, используют в качестве покрытий для посуды, получают бронзовые и латунные сплавы.

• Свинец применяется в химической отрасли, в качестве защитных покрытий металлопроката, в том числе, радиационной защиты. Из свинца получают легкоплавкие металлические сплавы.

• Серебро является самородным металлом и относится к благородным, поэтому активно применяется в ювелирном деле, для изготовления бытовых изделий, зеркальных покрытий.

• Хром является легирующим компонентом для сталей пружинных нержавеющих сталей.

• Цинк применяется для защиты металлических покрытий, в гальванике, из цинка получают легкие и легкоплавкие сплавы.

10. Способы производства чугуна и стали.

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном - в виде сплавов. Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора.  Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков  При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем  количество углерода, марганца, серы и  фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 ^oС.  Газ и  воздух  предварительно  подогреваются  ( до 1200…1250 ^oС) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества  выплавляют  в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как  и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую  хром, вольфрам и др.  Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и  оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и  плавикового шпата.

Индукционная плавка  применяется обычно для переплавки сталей и   получения  высоколегированных и специальных сталей в условиях  вакуума или  специальной регулируемой  атмосферы.

11. Виды и свойства сталей. Химический состав.

Справочник строителя | Общие сведения о металлах

Виды и свойства сталей

Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисления.

Маркировка сталей

По стандарту марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, которые показывают содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т. д.). В обозначение марок кипящей стали добавляют «кп», полуспокойной — «пс», спокойной — «сп», например СтЗсп, СтЗпс, Ст2кп.

В отличие от маркировки углеродистых сталей буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры — их среднее содержание в процентах; предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква: кремний — С, марганец — Г, хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, алюминий — Ю, медь —Д, кобальт — К. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и последу­ющими цифрами — его среднее содержание, например сталь 3X13 содержит 0,3% — С и 13% — Cr, марки 2X17Н2 — 0,2% — С, 17% — Cr и 2% —Ni.

Углеродистые стали.

Сталь углеродистая обыкновенного качества — сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марга­нец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства стали. В сталях обыкновенного качества, применяемых в строительстве, углерода содержится 0,06-0,62%. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы:

А - поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (СтО, Ст1 и др.);

Б - поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а их уровень, кроме условий обработки, определяется химическим составом (БСтО, БСт1 и др.);

В - поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготовляют следующих марок: СтО, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Стбпс, Стбсп, СтбГпс, Стопе, Стбсп. Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры -условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» - степень раскисления («кп» - кипящая, «пс» -полуспокойная, «сп» - спокойная).

Сталь углеродистая качественная конструкционная по видам обработки при поставке делится на: горячекатаную и кованую, калиброванную, круглую со специальной отделкой поверхности - серебрянку.

Наиболее широко в строительстве используют сталь марки СтЗ, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линии электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона.

Легированные стали.

Низколегированные стали наиболее часто применяют в строительстве. Содержание углерода в низколегированных сталях не должно превышать 0,2%, при большем количестве понижаются пластичность и коррозионная стойкость, а также ухудшается свариваемость стали. Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом: марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость; медь — стойкость стали к атмосферной коррозии; никель способствует улучшению вязкости без снижения прочности. Низколегированные стали имеют более высокие механические свойства, чем малоуглеродистые. Стали, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для сварных и клепаных конструкций промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуаров, труб и т. д.

Легированную сталь по степени легирования разделяют на:

низколегированную (легирующих элементов до 2,5%);

среднелегированную (от 2,5 до 10%);

высоколегированную (от 10 до 50%).

В зависимости от основных легирующих элементов различают 14 групп сталей.

К высоколегированным относят:

I) коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;

II) жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 50°С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;

III) жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Электротехническую тонколистовую сталь разделяют:

а) по структурному состоянию и виду прокатки на классы:

1 - горячекатаная изотропная;

2 - холоднокатаная изотропная;

3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой;

б) по содержанию кремния:

0 - до 0,4%;

1 - св. 0,4 до 0,8%;

2 - св. 0,8 до 1,8%;

3 - св. 1,8 до 2,8%;

4 - св. 2,8 до 3,8%;

5 - св. 3,8 до 4,8%;

химический состав стали не нормируется;

в) по основной нормируемой характеристике на группы:

0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50);

1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50);

2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (Р1,0/400);

6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В 0,4);

7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10).

Сталь легированную конструкционную в зависимости от химического состава и свойств делят на три типа:

качественная;

высококачественная А;

особовысококачественная Ш (электрошлакового переплава).

По видам обработки сталь поставляется:

горячекатаная;

кованая;

калиброванная;

серебрянка.

12. Изделия из стали. Сортамент стальных профилей. Изделия из стали. Стальные конструкции изготавливают из прокатных изделий, а также из гнутых и сварных профилей.

Наиболее широко применяют прокатные изделия, которые можно разбить на четыре группы: сортовую и листовую сталь, специальные виды проката, трубы. Из прокатных изделий собирают самые разнообразные решетчатые и сплошные конструкции: колонны, балки, бункера, мачты, башни, трубопроводы, резервуары и др.

Сортовая сталь включает (рис. 3.3) профили массового потребления (круглую, квадратную, угловую сталь, ленту, проволоку, швеллеры, двутавровые балки) и профили специального назначения (рельсы и др.).

Из сортовой стали в строительстве особенно широко применяют уголковые профили, двутавры, швеллеры. Уголковый профиль может быть двух типов: равнополочный и неравно-полочный. Наиболее легкие уголковые профили имеют размеры полок 20X20 мм и толщину 3 мм (20X3), наиболее тяжелые соответственно 250X250 мм и 30 мм (250X30).

Двутавры и швеллеры выбирают по номерам, соответствующим их высоте в миллиметрах. Номера двутавров изменяются в диапазоне от 10 до 60, швеллеров — от 5 до 40. Двутавры прокатывают длиной до 19 м, швеллеры — до 18 м. Их применяют обычно как балки, работающие на изгиб и осевую нагрузку. Швеллеры отличаются от двутавров сдвинутой к краю полок стенкой. Форма швеллеров упрощает прикрепление их к стенкам других элементов. Швеллеры широко используют как прогоны покрытий промышленных зданий.

В последние годы металлургическая промышленность стала поставлять строительству облегченные двутавровые балки и швеллеры, главным отличием которых являются более тонкие стенки.

Листовая сталь разделяется в зависимости от толщины листов на толстолистовую (4—16 мм), тонколистовую (0,2— 4 мм), универсальную широкополосную (4—60 мм), слябы (плиты 60—200 мм), рулонную и рифленую.

Толстолистовая сталь изготавливается в виде листов с шириной до 8500 мм и длиной до 12 м. Наиболее широко в строительстве применяют стальные листы толщиной до 40 мм. Листы тонколистовой стали имеют длину до 4 м, ширину — 600— 1400 мм. Ее применяют при изготовлении гнутых тонкостенных профилей и профилированного настила. Изготовление гнутых профилей позволяет существенно упростить технологию производства деталей и экономить до 10% металла. Профилированный настил применяется для устройства легкой и удобной в монтаже кровли.

13. Виды коррозии металлов. Защита металла от коррозии.Коррозия — процесс химического или электрохимического разрушения металлов под действием окружающей среды. Установлено, что от коррозии ежегодно теряется безвозвратно около 10 % производимых металлов, т. е. годовая продукция крупного металлургического завода.

В процессе химического разрушения на поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии, обычно оксидов. В некоторых случаях эта пленка может защищать лежащий под ней металл от дальнейшей коррозии. Сравнительно плотные оксиды пленки образуются на поверхности алюминия, свинца, олова, никеля, хрома. При окислении железа в сухом воздухе или в атмосфере сухого кислорода образуется также достаточно плотная пленка, но она по мере роста растрескивается и отслаивается от металла. Чаще всего химическая коррозия происходит в среде сухих газов при высокой температуре (металлическая арматура печей, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т.п.) или в жидкостях неэлектролитов (окисление металла в спирте, бензине, нефти, мазуте и т. п.).

При электрохимической коррозии металл разрушается вследствие его растворения в жидкой   среде, являющейся электролитом. Сущность процесса электрохимической коррозии заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, при контакте с раствором электролита переходят в раствор в форме ионов, оставляя эквивалентное количество электронов в металле. Переход атомов металла в ионы и растворение их в жидком электролите определяется величиной нормального электродного потенциала. Он характеризует то напряжение электрического тока, которое надо приложить к границе раздела твердого металла с жидким электролитом, чтобы воспрепятствовать переходу иона металла в раствор. Чем отрицательнее нормальный электродный потенциал, тем более резко выражено стремление металла к растворению в электролитах (например, свинец растворяется значительно медленнее, чем железо). Данный вид коррозии может также возникнуть при контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита, когда между этими металлами возникает гальванический ток. В гальванической паре любых двух металлов будет растворяться тот металл, который обладает более отрицательным электродным потенциалом. Например, железо имеет более низкий отрицательный электродный потенциал, чем цинк, и более высокий, чем медь. Следовательно, при контакте железа с цинком будет разрушаться цинк, а при контакте железа с медью — железо. Гальванические пары при коррозии образуются не только между отдельными участками контактирующих металлов, но также и между микроскопически малыми кристалликами одного и того же сплава, если они различаются по химическому составу и физическим свойствам. В результате возникает коррозионное разрушение, которое может проникнуть очень глубоко и идти по границам раздела зерен (межкристаллическая коррозия). Например, в перлите феррит более электроотрицателен, чем цементит, он и будет разрушаться в соответствующих условиях.

Таким образом, электрохимическая коррозия — это разрушение сплава, сопровождающееся появлением электрического тока в результате работы множества микрогальванических элементов на корродирующей поверхности металла.

На скорость растворения металла в электролите влияют примеси, способы обработки металла, концентрация электролитов. Металл, находящийся под нагрузкой, корродирует значительно быстрее ненагруженного, так как нарушается целостность защитной пленки и образуются микротрещины (коррозионное растрескивание). Разрушение металла одновременным воздействием знакопеременных нагрузок и коррозионной среды называют коррозионной усталостью.

В зависимости от характера окружающей среды электрохимическая коррозия может быть подводной, атмосферной, почвенной, вызванной блуждающими токами. Электрохимическая коррозия металлов в воде обусловливается присутствием в ней растворенного кислорода. При атмосферной коррозии электролитом служит тонкая пленка влаги, сам же процесс коррозии ничем не отличается от коррозии в воде.

В результате коррозии стали на ее поверхности появляется смесь различных гидратированных оксидов железа, имеющих состав «FeO-pH2O+mFe2O3-<?H2O (ржавчина).

Активному протеканию процесса коррозии способствует углекислый и в особенности сернистый газы, хлористый водород, различные соли.

Защиту от коррозии следует начинать с правильного подбора химического состава и структуры металла. При конструировании необходимо избегать форм, способствующих задержке влаги. Для защиты металла от коррозии применяют различные способы.

Легирование стали повышает ее антикоррозионные свойства. Например, совершенную стойкость к атмосферной коррозии показывают нержавеющие легированные стали, содержащие в большом количестве хром, который, образуя на поверхности оксидные пленки, приводит сталь в пассивное состояние. Существенно повышается (в 1,5...3 раза) коррозионная стойкость строительных сталей при введении в их состав меди (0,2...0,5 %). Повышенной стойкости нержавеющих сталей против коррозии способствуют также их однородность и небольшое содержание вредных примесей.

Защитные покрытия представляют собой пленки (металлические, оксидные, лакокрасочные и т.п.).

Металлические покрытия бывают двух типов — анодные и катодные. Для анодного покрытия используют металлы, обладающие более отрицательным электродным потенциалом, чем основной металл (например, цинк, хром). Для катодного покрытия выбирают металлы, имеющие меньшее отрицательное значение электродного потенциала, чем основной    металл   (медь,   олово, свинец, никель и др.). Металлические покрытия наносят горячим методом, гальваническим и металлизацией.

При горячем методе покрытия изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом, температура которого ниже, чем температура плавления изделия (цинк, олово, свинец).

Гальванический метод защиты состоит в том, что на поверхности изделия путем электролитического осаждения из растворов солей создается тонкий слой защищаемого металла. Покрываемое изделие при этом служит катодом, а осаждаемый металл — анодом.

Металлизация — покрытие поверхности детали расплавленным металлом, распыленным сжатым воздухом. Преимуществом этого метода защиты металла является то, что покрывать расплавом можно уже собранные конструкции. Недостаток заключается в том, что получается шероховатая поверхность.

Металлические покрытия можно наносить также посредством диффузии металла покрытия в основной металл— алитирование, силицирование, хромирование (см. с. 316), а также способом плакирования, т.е. наложения на основной металл тонкого слоя защитного металла (биметалл) и зарепления его путем горячей прокатки (например, железо — медный сплав, дюралюминий — чистый алюминий).

Оксидирование — защита оксидными пленками. Для этого естественную оксидную пленку, всегда имеющуюся на металле, делают более прочной путем обработки сильным окислителем, например концентрированной азотной кислотой, растворами марганцевой или хромовой кислот и их солей. Частным случаем оксидирования является воронение стали. В этом случае на поверхности также создается оксидная пленка, но более сложными приемами, связанными с многократной термической обработкой при температуре ЗО0...40О°С в присутствии древесного угля.

Фосфатирование состоит в получении на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца в результате погружения металла в горячие растворы кислых фосфатов железа или марганца.

Лакокрасочные покрытия основаны на механической защите металла пленкой из различных красок и лаков. Ванны, раковины, декоративные изделия для защиты от коррозии покрывают эмалью, т. е. наплавляют на металл при температуре 750...800°С различные комбинации силикатов.

При временной защите металлических изделий от коррозии (транспортировании, складировании) используют для покрытия металла невысыхающие масла (технический вазелин, лак этиноль), а также ингибиторы, т. е. вещества, замедляющие протекание реакции (нитрит натрия с углекислым аммонием, с уротропином, ингибитор ную бумагу и др.).

14. Минеральные вяжущие вещества. Классификация. Область применения.

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, под влиянием физико-химических процессов переходящее в камневидное состояние. Это свойство вяжущих веществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий. Различают минеральные вяжущие вещества воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества твердеют, долго сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим веществам относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и кислотоупорный цемент.

Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и длительно сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гидравлическая известь. Их используют как в надземных, так и в подземных и подводных конструкциях.

Наряду с этим различают вяжущие вещества, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке — давлении насыщенного пара 0,8...1,2 МПа и температуре 170...200°С. В группу вяжущих веществ автоклавного твердения входят известково-кремнеземистые и известково-нефелиновые вяжущие.

Строительными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при затворении водой образуют пластичное тесто, способное затвердевать и превращаться в прочный камень.

В зависимости от состава, основных свойств и областей применения минеральные вяжущие делятся на 4 группы: