Контрольные вопросы

4.1 Перечислить сырьевые материалы и объяснить основы производства стекла.

4.2 Как классифицируются стеклянные материалы.

4.3 Охарактеризовать ситаллы и литые изделия из шлаков и отходов разработки горных пород.

Лекция 5

Тема5: Металлические материалы

План лекции:

5.1. Общие сведения о черных и цветных металлах, их сплавы.

5.2. Механические свойства металлов.

5.3. Цветные металлы и их применение в строительстве

5.1. Общие сведения о черных и цветных металлах, их сплавы

Металлами называют вещества, характерными признаками которых при обычных условиях являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим. Такие признаки металлов обусловливаются их электронными межатомными связями и кристаллическим строением. При очень высоких давлениях свойства металлов могут меняться.

Металлические элементы составляют почти 3/4 всех существующих в природе элементов, но не все находят широкое применение в технике и строительстве. Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий-8,8%, железо-4,65%, магний-2,1 %, титан-0,63 %.

Чистые металлы в большинстве случаев обладают недостаточно высокими физическими, механическими и химическими свойствами (табл. 2).

Элемент	Плотность, г/см³	Теплоемкость при 20 °С , Дж/ °С	Температура плавления, °С	Твердость, H/мм²	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %	Удельное электросо- противление, Ом · м
Al	2,7	0,88	660	280	90	40	0,026
W	19,1	0,13	3410	2900	1100	-	0,050
Fe	7,86	0,45	1535	800	280	40	0.106
Mg	1,74	1,01	651	250	150	12	0,045
Cu	8,93	0,38	1083	350	220	60	0,017
Ni	8,8	0,43	1452	600	450	40	0,072
Sn	7,3	0,23	232	50	20	40	0,015
Pb	11,34	0,12	327	50	20	50	0,188
Zn	7,4	0,39	419	360	80	12	0,057

Таблица 2. Основные физико-механические свойства чистых металлов

Для улучшения этих свойств металлы сплавляют с другими элементами. Сплавами называют металлические вещества с характерными свойствами металлов, получаемые при затвердевании жидких расплавов. Сплавы содержат два и более химических элемента. Входящие в состав сплава элементы или вещества (компоненты сплава) могут находиться между собой в одной из трех видов связи: химической, твердых растворов, механической смеси.

Металлы, применяемые в строительстве, разделяют на две основные группы: черные и цветные.

Черные металлы-сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придания черным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания в них углерода подразделяют на стали (сплавы с содержанием С<2 %) и чугуны (С>2 %). На их долю приходится около 95 % производимой в мире металлической продукции. Остальные металлы и сплавы на их основе относятся к цветным: легкие - плотностью до 5 г/см³(например, на основе алюминия, магния); тяжелые - плотностью выше 5 г/см³(на основе меди); тугоплавкие (на основе молибдена, ванадия).

Сталь-основной конструкционный материал, применяемый в строительстве. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат железо, углерод и примеси (марганец, кремний, серу, фосфор), которые называют нормальными при содержании их в пределах нормы. Легированные стали в отличие от углеродистых, кроме железа, углерода и нормальных примесей, содержат специально вводимые для изменения свойств стали легирующие добавки (никель, хром, титан, вольфрам и т. д.). К легирующим добавкам относятся также марганец и кремний, если их содержание больше, чем предусмотрено для примесей.

Чугун содержит 2-6,67 % углерода. Чугуны являются как конструкционным материалом, так и промежуточным продуктом при производстве стали. По составу и применению чугуны подразделяют на передельные (белые), литейные (серые), специальные (ферросплавы).

К цветным относятся все металлы, кроме железа. Больше всего применяют в технике следующие металлы: алюминий, медь, никель, титан, цинк, свинец, олово, вольфрам, ванадий. Цветные металлы, как и черные, в чистом виде весьма редко используют в строительстве.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы типа дюралюминия.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве находят применение бронза (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком).

Свойства металлов, применяемых в строительстве, определяются в основном механическими и технологическими характеристиками. 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.

Металлы испытывают на растяжение с помощью разрывных машин, оборудованных приспособлением для записи кривой зависимости между нагрузкой и удлинением образца. Такая кривая называется диаграммой растяжения (рисунок 19). На диаграмме растяжения одних металлов, например, низко- и среднеуглеродистых сталей, фиксируется площадка текучести, указывающая на способность металла подвергаться значительным пластическим деформациям при постоянном напряжении; на диаграмме растяжения других, например, высокоуглеродистых сталей, такая площадка отсутствует, что указывает на непрерывный рост деформации с возрастанием нагрузки.

Рисунок 19. Диаграмма растяжения стали

Алюминий и его сплавы.

Алюминий -(лат.Aluminium), Al, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 13, атомная масса 26,9815; состоит из одного стабильного изотопа ²⁷Al.

Алюминий— легкий серебристо-белый металл. Важное достоинство его — низкая плотность (2700 кг/м³). В чистом виде алюминий мягок, пластичен, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления — 657°С. Алюминий имеет повышенную стойкость к коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки (А1₂О₃), высокую теплопроводность и электропроводность. Предел прочности при растяжении у алюминия 90-120 МПа, относительное удлинение — 20-30%, твердость Н_в = 25-30, коэффициент теплопроводности — 200 Вт/(м·°С).

В чистом виде в строительстве алюминий применяется для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски и газообразователи при изготовлении ячеистых бетонов), фольги, электропроводов. Из алюминиевой фольги делают высокоэффективный утеплитель; (альфоль), используют ее в качестве отражателя тепловых лучей, а также декоративного материала.

Для строительных изделий алюминий применяют в виде сплавов, в состав которых входят: Cu, Mn, Mg, Si, Fe.

Сплавы, состоящие из алюминия, меди, магния и марганца, носят название дюралюминий. Сплавы алюминия имеют предел прочности при растяжении более 100 МПа.

Медь и ее сплавы.

Медь- (лат.Cuprum), Cu, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546; мягкий, ковкий металл. Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов — ⁶³Cu (69,1 % ) и ⁶⁵Cu (30,9 % ).

Медь— металл красного цвета с плотностью 8800 кг/м³, температурой плавления 1083°С, пределом прочности при растяжении около 200, МПа, относительным удлинением 30-60%. Медь — мягкий и пластичный металл, хорошо проводит электричество и тепло.

Добывают ее из медных сульфидных и окисленных руд. При­меняют для изготовления электрических проводов и в качестве составной части различных сплавов.

Сплав, состоящий из меди и цинка, называют латунью.

Латунь обладает высокими механическими и антикоррозийными свойствами и поддается горячей и холодной обработке. Иногда к сплаву латуни добавляют свинец, олово, алюминий, кремний и др. Применяют ее в виде листов, прутьев, проволоки, труб. Латунь в строительстве применяют также в виде специальных изделий, сочетающих антикоррозийные и художественные качества (для архитектурной отделки интерьеров — базы колонн, различные погонажные изделия).

Сплав меди с оловом (до 10%) называют оловянистой бронзой. Сплавы меди с алюминием, никелем, кремнием носят название безоловянистых бронз. Иногда в состав бронзы вводят свинец, цинк, фосфор. Бронзу применяют в виде изделий для внутреннего оборудования зданий (сантехническая арматура, вентиляционные решетки, детали карнизов, фурнитуры и др.).

Кроме бронз и латуни известны другие сплавы, содержащие медь. Например, мельхиор (20% никеля и 80% меди), никелин(45% никеля и 55% меди), константин (40% никеля, 59% меди и 1% марганца).

Магний и сплавы.

Магний - (лат.Magnesium), Mg, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 12, атомная масса 24,305. Природный магний состоит из трёх стабильных изотопов: ²⁴Mg (78,60% ), ²⁵Mg (10,11%) и ²⁶Mg (11,29%).

Магний— один из наиболее легких металлов. Средняя плотность его 1730 кг/м³, температура плавления — 649 °С. В чистом виде магний малоустойчив. Получают его из морской рапы после осадки поваренной соли, из карналита (КСl, МgСl₂), а также из магнезита.

Применяют магний при изготовлении специальных легких сплавов. 

Цинк- (лат.Zincum) Zn — химический элемент 12-й (IIb) группы периодической системы Менделеева, атомный номер 30, относительная атомная масса 65,39. Природный цинк состоит из трех стабильных изотопов ⁶⁴Zn (48,6%), ⁶⁶Zn (26,9%) и ⁶⁷Zn (4,1%).

Цинк. Плотность цинка 7000 кг/м³. Температура плавления — 419 °С. Применяют, главным образом, для оцинкования различ­ных стальных изделий (гвоздей, болтов, кровельной стали), в качестве составляющего сплавов. При обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до 150°С он становится пластичным.

Цинк получают из сульфидных цинковых руд ZnS.

Свинец- (лат.Plumbum), Pb, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 82, атомная масса 207,2. С. — тяжёлый металл голубовато-серого цвета. Природный свинец состоит из 5 стабильных изотопов с массовыми числами 202 (следы), 204 (1,5%), 206 (23,6%), 207 (22,6%), 208 (52,3%).

Свинец— мягкий, пластичный, тяжелый металл. Плотность свинца — 11 400 кг/м³. Температура плавления — 325 °С. Свинец хорошо льется и прокатывается, хорошо противостоит действию серной и соляных кислот. Предел прочности при растяжении — до 20 МПа, твердость по НВ = 5,9. Свинец непроницаем для рентгеновских лучей и частично не пропускает гамма-лучи. Применяется в строительстве для специальных труб, антикоррозийных покрытий, звуко- и гидроизоляции и как составная часть некоторых легких сплавов. Свинец добывают из сульфидных руд.

Олово- (лат.Stannum), Sn, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 50, атомная масса 118,69; белый блестящий металл, тяжёлый, мягкий и пластичный. Элемент состоит из 10 изотопов с массовыми числами 112, 114—120, 122, 124; последний слабо радиоактивен; изотоп ¹²⁰ Sn наиболее распространён (около 33%).

Олово.Плотность олова — 7230 кг/м³. Температура плавления — 232 °С. Олово — мягкий, стойкий против коррозии металл. Предел прочности при растяжении 35-45 МПа, относительное удлинение — 40%, твердость по Н_В = 12. Олово добывают из руды, которая называется оловянным камнем.

Сплавы, состоящие из свинца, олова, сурьмы, меди, применяют в качестве антифрикционных (анти — против, фриктио — трение) или подшипниковых. Такие сплавы носят название баббитов.