Определение прочности при изгибе и сжатии образцов – балочек

Для испытания изготавливают 3 образца – балочки размерами 40х40х160 мм, которые испытывают в возрасте 28 суток. Собранную и смазанную форму с поддоном и насадкой закрепляют на горизонтальной площадке встряхивающего столика, заполняют формы растворной смесью на половину их высоты, разравнивают, уплотняют десятью легкими нажимами шпателя и встряхивают 30 раз. После этого укладывают второй слой на всю высоту (с избытком), уплотняют и встряхивают. Избыток смеси срезают и заглаживают поверхность.

При изготовлении образцов в формах без поддона формы с насадкой, предварительно смазанные, устанавливают на два кирпича одинаковой высоты, покрытых смоченной водой газетой. Используют обыкновенный керамический кирпич с влажностью ≤ 2%, водопоглощением по массе ≥ 10%. Формы заполняют в один прием, уплотняют штыкованием (25 раз) стальным стержнем Д=10…12 мм и снимают насадку. Когда поверхность смеси станет матовой вследствие отсоса из нее воды, избыток смеси срезают влажным ножом и заглаживают поверхность. Распалубку производят через сутки. Условия хранения образцов, как было сказано ранее, зависит от вида вяжущего. Через 28 суток образцы подготавливают к испытанию следующим образом: образцы воздушного хранения очищают от пыли, хранившиеся в воде - протирают влажной тряпкой. Затем образцы измеряют, определяют объем с точностью до 1 см³, взвешивают с точностью до 0,5 % и вычисляют среднюю плотность (см. гл. 1). Предел прочности образцов – балочек на изгиб определяют на приборе МИИ-100, а на сжатие - испытанием половинок балочек на гидравлическом прессе. Методика проведения испытания такая же, как при определении прочности цемента (см.гл.4).

Определение предела прочности образцов – кубов

Для определения прочности изготавливают несколько серий образцов кубов (на каждый срок), в каждой серии - 3 образца. Используют формы с поддонами или без поддонов. Собранную и смазанную форму заполняют растворной смесью в два приема слоями по 4 см. Уплотнение производят 12 нажимами шпателя. Избыток смеси срезают влажным ножом и заглаживают поверхность. Хранение образцов-кубов и подготовку их к испытанию проводят аналогично образцам балочкам. Предел прочности при сжатии R_сж, кгс/см² определяют по формуле (см. гл. 1).

При проведении со студентами лабораторных работ по данной теме производят приготовление растворной смеси, определение ее подвижности, а затем – марки раствора по прочности. Результаты заносят в журнал для лабораторных работ.

Контрольные вопросы.

1. Что такое строительный раствор?

2. Назовите основные виды растворов.

3. Как определить подвижность растворной смеси?

4. Что такое марка раствора и как ее определяют.

Г лава 8. Металлические материалы

8.1 Классификация металлов и сплавов

Металлы – это кристаллические вещества, характеризующиеся рядом специфических свойств такими, как электо-теплопроводность, блеск, способность хорошо отражать электромагнитные волны, высокие технологические свойства. Свойства металлов обусловлены их строением: в кристаллической решетке имеются свободные электроны, которые могут свободно перемещаться. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы. В технике применяют, как правило, не чистые металлы, а сплавы, т.к. они обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью, лучше подаются разным видам обработки.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов с неметаллами. Составляющие сплавов называются компонентами. Различают следующие виды сплавов:

• механические смеси, состоящие из смеси кристаллов компонентов;

• однородные растворы, полученные при затвердевании расплавов;

• химические соединения, образовавшиеся при химическом взаимодействии компонентов.

Наука, изучающая состав, строение, свойства металлов и сплавов, изменение их свойств под влиянием различных воздействий, называется металловедением. Металлы имеют кристаллическое строение, при затвердевании они образуют геометрически правильные системы – кристаллические решетки различных модификаций (рис 8.1). Процесс кристаллизации имеет некоторые особенности. Атомы металлов являются положительно заряженными ионами, которые непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, кристаллы расширяются, а при температуре плавления колебания настолько усиливаются, что кристаллическая решетка разрушается. Кристаллы анизотропны, имеют неодинаковые свойства по разным направлениям, что объясняется различным числом атомов решетки в разных сечениях. Различают первичную и вторичную кристаллизацию металлов. Первичная кристаллизация – образование кристаллической структуры в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое. Вторичная кристаллизация – это изменение кристалического строения металлов в твердом состоянии, это так называемая аллотропия металлов и сплавов.

Характерными физическими свойствами металлов являются: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании. К химическим свойствам относятся: окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность и другие. Основные механические свойства: прочность на растяжение, твердость, ударная вязкость, усталость и т.д. Для исследования и испытания металлов и сплавов используют следующие методы:

• Химический анализ устанавливает наличие химических элементов в металле и сплаве.

• Макроанализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или в лупу. Позволяет обнаружить усадочные раковины, пустоты, трещины, неметаллические включения, наличие вредных примесей (серы, фосфора).

• Микроанализ – изучение структуры металлов с помощью микроскопа. Позволяет определить структурные составляющие металлических сплавов, наблюдать расположение фаз, их форму и размеры.

• Термический анализ сводится к определению критических точек при нагревании и охлаждении с построением кривых «температура – время».

• Рентгенографический анализ основан на различной степени поглощаемости рентгеновских лучей металлом и сплавом: сильнее – сплошным металлом, меньше там, где находятся газовые и шлаковые включения, трещины. Все это фиксируется на экране или фотоснимках.

• Ультразвуковая дефектоскопия основана на различной скорости прохождения ультразвука, позволяет обнаружить инородные включения, раковины, трещины.

• Механические испытания, подразделяются на статические и динамические. При статических испытаниях металл подвергается действию постоянной силы или силы, возрастающей медленно. При динамических испытаниях металл подвергается действию ударов или быстро возрастающей силы.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные. Черные металлы (чугун и сталь) – это сплавы железа с углеродом. В стали содержание углерода составляет до 2,14%, в чугуне – 2,14…6,67%. Цаетные металлы делят по плотности на легкие (ρ<3 г/см³) и тяжелые (ρ>3 г/см³). Наибольшее применение в строительстве получили стали. Это каркасы промышленных и гражданских зданий, конструкций мостов, эстакад, труб и др. сооружений, арматура для железобетона. В современном строительстве расширяется область применения цветных металлов – это конструкции из алюминиевых сплавов, архитектурно-строительные детали, обладающие высокой коррозионной стойкостью и декоративностью. По назначению металлы делят на конструкционные, инструментальные, специальные.

Изучение и исследование металлов проводится группами студентов из 2-3 человек на образцах железоуглеродистых сплавов. Построение кривой охлаждения, назначение режима термической обработки производится для заданного преподавателем сплава по диаграмме состояния Fe – Fe₃C. Результаты работ оформляются в специальном журнале в виде таблиц, графиков, рисунков, проводится их анализ и делаются выводы.

о

а б в

Рис. 8.2. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток

металлов: а-объемноценрированая кубическая; б-гранецентрированная

кубическая; в-гексагональная

8.2 изучение Диаграммы состояния железоуглеродистых

сплавов.

Фазовый состав и структурные составляющие углеродистых сплавов - сталей и чугунов - в равновесном состоянии описываются диаграммой состояния «железо – углерод». На рис.8.2 приведена Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, содержащих до 6,7% углерода. При этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа Fe₃C, или цементит, поэтому удобно цементит рассматривать как второй компонент системы (Fe – Fe₃C).

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т.е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.

• Линия АВСД – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса).

• Линия АНJЕСF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса).

Чаще всего в железоуглеродистых сплавах углерод встречается в виде твердых растворов внедрения в -железо и -железо, а также в виде химического соединения Fe₃C – цементита.

Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы состоят из жидкого расплава и твердых кристаллов (двухфазная система).

Первым из жидкого расплава кристаллизуется аустенит.

• Область AJESG (IV) на диаграмме соответствует аустениту - твердому раствору углерода в -железе.

• Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита.

• Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Линии GSK и PSK имеют большое значение при термической обработке стали. Линию GSK называют линией верхних критических точек, линию PSK – линией нижних критических точек.

Наиболее характерные сплавы диаграммы:

• эвтектический сплав содержит 4,3% углерода, образуется при одновременной кристаллизации аустенита и цементита и называется ледебуритом;

• эвтектоидный сплав содержит 0,81% углерода, образуется при одновременной кристаллизации феррита и вторичного цементита и называется перлитом.

В зависимости от содержания углерода (в %), железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

при содержании углерода до 0,81 – доэвтектоидные стали;

при содержании углерода 0,81 – эвтектоидные стали;

при содержании углерода 0,81-2 – заэвтектоидные стали;

при содержании углерода 2-4,3 – доэвтектические чугуны;

при содержании углерода 4,3-6,67 – заэвтектектические чугуны.

Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и аустенита в области VIII, а в области IX – из феррита и перлита (рис. 8.6 – 1).Структура эвтектоидной стали, содержащей 0,8% углерода, состоит из перлита (рис. 8.6 – 2) Структура заэвтектоидных сталей будет состоять из перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении вторичный цементит кристаллизируется по границам зерен перлита, образуя твердую и хрупкую оболочку, видимую под микроскопом в виде сетки (рис. 8.6 – 3). С увеличением содержания углерода меняется структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Поэтому для области чугунов на диаграмме характерны такие структуры как цементит первичный и вторичный, ледебурит.

Основными структурными составляющими железоуглеродистых сплавов, являются следующие:

Феррит – твердый раствор углерода в -железе с кубической объемно-центрированной кристаллической решеткой (рис. 8.1,а.). Предельная растворимость углерода в феррите при t=727 С равна 0,02 %. С уменьшением температуры до 600 ⁰C растворимость углерода в феррите падает до 0,01 %. Феррит весьма мягок, пластичен (НВ = 100,=30 %), магнитен до 768 С.

На диаграмме состояния занимает область GPQG.

Аустенит – твердый раствор углерода в -железе с кубической гранецентрированной решеткой (рис. 8.1,б). Предельная растворимость углерода в аустените равна 2,14% при t=1147⁰С. С уменьшением температуры до 727⁰С растворимость углерода в аустените падает до 0,8% (линия ES). Аустенит по сравнению с ферритом более тверд и пластичен (НВ=200, =45 %), немагнитен. При дальнейшем охлаждении происходит распад твердого раствора с образованием феррита и цементита.

Цементит – очень тверд, но хрупок (НВ=800) имеет сложную кристаллическую решетку (рис.8.1,в). Магнитен до 210⁰С. Различают:

а). Первичный цементит – Fe₃C_I, который выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3% (ниже линии ДС);

Т

Д

, С

X

IX

I

III

VI

VII

XI

1600

А

ЖИДКОСТЬ + КРИСТАЛЛЫ ТВЕРДОГО РАСТВОРА 

1500

δ- Fe

H I В 1493

II

ЖИДКОСТЬ

1400

1392 ЖИДКОСТЬ +

N АУСТЕНИТ ЖИДКОСТЬ+ЦЕМЕНТИТ

1300

(ПЕРВИЧНЫЙ)

F'

С'

Е'

(АУСТЕНИТ) 1153

1200

ТВЕРДЫЙ РАСТВОР -Fe

(АУСТЕНИТ)

F

Э С

Е

1147

IV

1100 АУСТЕНИТ ЦЕМЕНТИТ (ПЕРВИЧНЫЙ)

В

Т

Е

К

Т

И

К

А

+ +

ЦЕМЕНТИТ (ВТОРИЧНЫЙ) ЛЕДЕБУРИТ (АУСТЕНИТ+ЦЕМЕНТИТ)

V

1000 АУСТЕНИТ+ФЕРРИТ + Л

ЛЕДЕБУРИТ Е

900

G Д

АУСТЕНИТ Е

+ Б

800

ЦЕМЕНТИТ У

(ВТОРИЧНЫЙ) Р

VIII

α- Fe

И

(феррит) P’ S’ 738 Т

XII

700 P S 727 K

феррит +

ФЕРРИТ ЦЕМЕНТИТ (ВТОР.) + ПЕРЛИТ + ЦЕМЕНТИТ (ВТОРИЧНЫЙ) ЦЕМЕНТИТ (ПЕРВИЧНЫЙ)

цементит + ПЕРЛИТ + +

( третичный) Q ПЕРЛИТ (ФЕРРИТ+ЦЕМЕНТИТ) ЛЕДЕБУРИТ (ПЕРЛИТ+ЦЕМЕНТИТ) ЛЕДЕБУРИТ (ПЕРЛИТ+ЦЕМЕНТИТ)

500 0,025 0,81 2,14 4,3 5 6 6,67

C,%

Рис.8.2 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

б). Вторичный цементит – Fe₃C_II, который выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8% в интервале температур от 1147⁰ до 727⁰ С.

в). Третичный цементит - Fe₃C_III, который выделяется при третичной кристаллизации из феррита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,01% в интервале температур от 727⁰ до 0⁰С.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 0,01%, называются технически чистым железом. Структура их состоит из феррита и небольшого количества третичного цементита, располагающегося преимущественно по границам зерен феррита (область GPQ).

Перлит – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из феррита и цементита. Образуется при распаде аустенита при температуре 727⁰С и содержании углерода 0,8%. Такое превращение аустенита в перлит называется эвтектоидным, а точка S называется эвтектоидной точкой. Перлит бывает пластинчатый и зернистый. Механические свойства перлита зависят от размеров и формы цементита. Твердость – НВ=160; δ=18%.

Ледебурит – механическая смесь, состоящая в интервале температур 1147⁰ … 727⁰С из аустенита и цементита, а ниже 727⁰С – аустенит, входящий в состав ледебурита – распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ=700), хрупок.

Построение кривой охлаждения железоуглеродистых сплавов.

По результатам изучения диаграммы Fe-Fe₃C строятся кривые охлаждения. Линия охлаждения состоит из кривых, отражающих снижение температуры, и горизонтальных участков (рис. 8.3) Для заданного преподавателем сплава находят критические точки, расположенные на пересечении всех линий диаграммы и перпендикуляра, восстановленного на горизонтальной оси из точки, соответствующей данному сплаву. При охлаждении расплава металла с началом его кристаллизации падение температуры прекращается, на кривой охлаждения образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением теплоты. По окончании затвердевания температура снова понижается.

Металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропических формы: -Fe; -Fe; -Fe; -Fe. Практическое значение имеют только -Fe и - Fe, т.к. -Fe и -Fe отличаются от -Fe и - Fe только величиной межатомного расстояния, а для -Fe характерно отсутствие магнитных свойств. Температура, при которой происходит переход металла из одной аллотропической формы в другую, называется критической. Точки этих температур видны на диаграмме охлаждения чистого железа (рис.8.3–1), как температуры горизонтальных участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты.

Если рассматривать диаграмму, то первая горизонтальная площадка при t=1539 С отмечает переход железа из жидкого состояния в твердое -Fe. Кристаллы -Fe имеют структуру объемно-центрированного куба со стороной а=2,93А⁰.(рис.8.3 - а). Вторая площадка соответствует температуре 1401С, при этом -Fe переходит -Fe со структурой гранецентрированного куба (рис. 8.3 - б). При температуре 898С и -Fe переходит в -Fe и имеет структуру объемно-центрированного куба со стороной а=29А (рис. 8.3 – в). Последняя горизонтальная площадка соответствует температуре 768 С, -Fe переходит в -Fe без изменения структуры, а=28,8А. Тепло, которое выделяется при переходе -Fe в -Fe, связано с внутриатомными изменениями, при которых у -Fe появляются магнитные свойства. При нагревании происходит обратный процесс (рис. 8.3 – 2)

Таким образом, имеются две модификации железа с разными кристаллическими решетками. Критические температуры, при которых происходят аллотропные превращения железа, обозначаются буквой «А» с соответствующим индексом (при нагревании применяют индекс «с», при охлаждении – «r» с цифрой).