книги / Строительные материалы

ла разрушение происходит после предварительной пла­ стической деформации, на осуществление которой тра­ тится значительная доля работы, требуемой для разру­ шения его. Такой металл пластичен и вязок. Если у металла сопротивление сдвигу больше сопротивления от,- рыву, то разрушение происходит без предварительной пластической деформации — металл хрупок.

§ 4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МЕТАЛЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1. Углеродистые и легированные стали

Согласно действующей классификации сталь по со­ ставу делится на углеродистую и легированную. Решаю­ щее влияние на механические свойства углеродистых ста­ лей оказывает содержание в них углерода. При увеличе­ нии содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластич­ ность и ударная вязкость, а также ухудшается сваривае­ мость.

Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а при­ месь серы — красноломкость. Для различных марок ста­ ли допустимое содержание фосфора составляет 0,04— 0,09 %, а серы 0,04—0,07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород; если его содержание превы­ шает 0,03 %, он вызывает старение стали, а более 0,1 % — красноломкость. Примеси Мп и Si в пределах 0,8—1 % не оказывают практически влияния на механические свой­ ства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12—0,25%. Содержание азота повышает прочность и твердость стали, но снижает пластичность.

При обозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым сталь поставляется (А — по меха­ ническим свойствам, Б — по химическому составу, В — по механическим свойствам и дополнительному требова­ нию в отношении химического состава); метод производ­ ства (М — мартеновский, Б — бессемеровский, К — кислородно-конверторный); дополнительные индексы (сп — спокойная сталь, пс — полуспокойная сталь, кп — кипящая сталь). В группе А обозначение «М» часто опу­ скается, однако имется в виду сталь мартеновская, а при

отсутствии обозначений сп, пс, кп подразумевается сталь спокойная.

' -Спокойная сталь более качественная, однако по стои­ мости она дороже кипящей. Полуспокойная сталь зани­ мает по свойствам промежуточное положение между спо­ койной и кипящей, но в. результате незначительного рас­ хода раскислителей стоимость ее меньше, чем спокойной.

Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины проката.

Углеродистые стали обыкновенного качества применя­ ются без термообработки. Углеродистую сталь обыкно­ венного качества группы А изготовляют следующих ма­ рок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб, Ст7. По мере уве­ личения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность и твердость, но снижается пластич­ ность и ударная вязкость. Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь группы А, но перед маркой стали ставят букву Б (БСтО, БСт1кп). Сталь группы В

свойствам и выплавляется в кислородных конверторах и мартенах. Установлены следующие марки качественной конструкционной углеродистой стали: 05кщ 08кп, 08сп, 08, Юкп, Юсп, Юпс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Две цифры в марках показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

К конструкционным углеродистым сталям относится и автоматная; она с повышенным содержанием серы. Мар­ ки этой стали: А12, А20, АЗО, А35, А40. Буква А обозна­ чает автоматную сталь; число, стоящее за буквой А содержание углерода в сотых долях процента. Содержа­ ние серы от 0,06 до 0,2 %, фосфора от 0,06 до 0,15 %. Из этой стали изготовляют на станках-автоматах крепежные детали.

Инструментальные углеродистые стали содержат уг­ лерода более 0,65 %. В зависимости от содержания при­ месей S и Р и способа производства они делятся на каче­ ственные и высококачественные, содержащие не болёе 0,03% S и 0,035% Р. Инструментальные стали могут быть качественные: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высокока­ чественные, с той же маркировкой и добавлением буквы А, например, У7А, У8А и т. д. В строительстве инстру.

Рис. 11.20. Микроструктура стали в равновесном состоянии

а — ферритная; б — фсрритно-цемсмтитиая; в — ферритно-перлитная; г —* пср« лнтная; д — псрлитно-цемеититиая; / — феррит; 2 — цементит; 3 — перлит

ментальная сталь применяется с обязательной термиче­ ской обработкой (закалкой с последующим низким или средним отпуском).

Структура сталей, содержащих до 0,006 % углерода, представляет собой чистый феррит (рис. 11.20, а) Такие стали при небольшой прочности обладают высокой плас­ тичностью и ударной вязкостью. При содержании в ста­ лях углерода от 0,006 до 0,025 % структура сталей состо­ ит из феррита и расположенных по его границам зерен цементита (рис. 11.20,6). Хрупкая цементитная сетка снижает ударную вязкость сталей.

Структура сталей с содержанием углерода свыше 0,025 % состоит из феррита и перлита (рис. 11.20, в). В структуре таких сталей при увеличении содержания уг­ лерода увеличивается количество перлита с соответствую­ щим уменьшением феррита. Увеличение доли перлита ведет к повышению прочности и твердости стали с одно­ временным снижением ударной вязкости и относительно­ го удлинения.

Структура стали, содержащей 0,8 % углерода, пред­ ставляет собой чистый перлит (рис. 11.20, г). В структу­ ре стали, содержащей свыше 0,8 % углерода, по грани­

цам зерен йерлита располагается цементит. При содер­ жании в стали 1 % углерода цементит образует хрупкую сетку, которая разобщает между собой зерна перлита (рис. 11.20,(9). Прочность стали при этом снижается.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в

определенных сочетаниях легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, бор, титан и др.), а также марганец и кремний в количествах, превышающих обычное их содержание (1 % и выше). Легированная сталь в зависимости от содержания леги­ рующих элементов делится на низколегированную (с со­ держанием легирующих элементов в сумме не более 3 %), легированную (с содержанием легирующих элементов 2,5—10 %) и высоколегированную (с содержанием леги­ рующих элементов свыше 10 %).

Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали. Хром повышает твердость, уменьшает ржавление; никель создает прочность и пла­ стичность, коррозионную стойкость; вольфрам увеличива­ ет твердость и красностойкость; ванадий повышает плот­ ность, прочность, сопротивление удару, истиранию; ко­ бальт повышает жаропрочность, магнитопроницаемость; молибден увеличивает красностойкость, прочность, сопро­ тивление окислению при высоких температурах; марга­ нец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок; титан повышает прочность, сопротивление коррозии; алю­ миний повышает окалиностойкость; ниобий повышает кислотостойкость; медь уменьшает коррозию. В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. В легированной стали может находиться одновременно несколько леги­ рующих элементов. По назначению легирования сталь де­ лится на три группы: конструкционная, инструменталь­ ная и сталь с особыми физическими и химическими свой­ ствами.

Легирующие элементы, растворяясь в железе, искажа­ ют и нарушают симметрию его кристаллической решетки и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается содержание карбидосодержащей фазы за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали.

Многие легирующие элементы способствуют измель­ чению зерен феррита и перлита в стали, что значительно

данного элемента около 1 %. Буква А в конце’марки обо­ значает высококачественную сталь, содержащую мень­ ше серы и фосфора. Например, 12Х2Н4А — это легиро­ ванная сталь, высококачественная, с содержанием угле­ рода 0,12 %, хрома 2 %, никеля 4 %; Г13 — легирован­ ная сталь с содержанием углерода 1 % и более, марган­ ца 13 %.

Низколегированная сталь изготовляется в виде листов, полос, сортового и фасонного проката. Она обладает ря­ дом преимуществ по сравнению с обычной углеродистой сталью. Предел текучести ее превышает на 30 % и более предел текучести обычной углеродистой стали марки СтЗ. Отношение предела текучести к пределу прочности низколегированной стали обычно составляет 0,65—0,75, а углеродистой стали — 0,55—0,6. Пластичность низколе­ гированной стали достаточно высока.

Низколегированная сталь обладает меньшей чувстви­ тельностью к старению и меньшей склонностью к хладно­ ломкости. Критическая температура перехода в хрупкое состояние низколегированной стали лежит ниже — 40 °С, а отдельных марок стали ниже —60 °С. Низколегирован­ ная сталь хорошо сваривается. Для сварных соединений не требуется ни предварительного подогрева, ни после­ дующей термической обработки для снятия напряжений. Коррозионная стойкость в атмосферных условиях и дру­ гих средах в 1,5 раза выше, чем углеродистой стали мар­ ки СтЗ.

К легированным сталям с особыми физическими и хи­ мическими свойствами относятся жаростойкие, жаропроч­ ные, коррозионностойкие, износоустойчивые и магнитные стали.

Жаростойкими (окалиностойкими) считаются стали, которые способны сопротивляться химическому разруше­ нию (окислению) в газовых средах при температуре вы­ ше 550 °С. Для повышения окалиностойкости стали леги­ руют элементами, которые изменяют состав и строение окалины, образуя тонкие защитные пленки.

Жаропрочными являются стали, способные противо­ стоять механическим нагрузкам при высоких температу­ рах. В настоящее время жаропрочность материала оце­ нивается пределом ползучести (напряжением, вызываю­ щим заданную скорость деформации при данной температуре) и длительной прочностью (способностью материала сопротивляться напряжению, вызывающему

разрушение при определенной температуре за определен­ ный промежуток времени). Для снижения пластических деформаций в* материале, сопровождающих его ползу­ честь, в сплав вводят хром, никель, молибден и другие ле­ гирующие элементы.

Коррозионностойкими называются стали, которые со­ противляются разрушению под воздействием внешней аг­ рессивной среды. К коррозионностойким сплавам отно­ сятся хромистые нержавеющие (Х13, Х17), хромонике­ левые нержавеющие (Х14Г4Н, Х18Н9) стали. Например, введение 12 % хрома делает сталь коррозионностойкой в атмосфере и промышленных средах, а при введении 25 % хрома сталь не ржавеет на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей. Коррозионностойкие стали ши­ роко используются для изготовления строительных конст­ рукций и изделий, работающих в агрессивных средах (грунтовых водах, газах, морской воде и др.).

В строительстве наиболее широко используют низко­ углеродистые и низколегированные стали. Они применя­ ются для изготовления металлических конструкций мо­ стов, опор, транспортных галерей, подкрановых балок, мостовых кранов, шпунтовых свай, для армирования же­ лезобетонных конструкций и др. Строительные стали при­ меняют в горячекатаном состоянии и после термической обработки, включающей одноили двукратную закалку в воде с последующим высокотемпературным отпуском. Наиболее эффективна термическая обработка строитель­ ных низколегированных сталей. Для низкоуглеродистых нелегироваиных сталей она повышает предел прочности на 20—25 %, что снижает расход стали на металлические конструкции примерно на 13—18 %. Экономическую эф­ фективность использования строительных сталей повы­ шают, применяя стали высокой прочности (60—100 МПа). Для этого их дополнительно легируют карбидообразую­ щими элементами (например, хромом, молибденом, воль­ фрамом, ниобием). Строительные стали поставляют в ви­ де прутков, профилей, листов и широких полос.

2. Чугуны

Применяемые для отливок чугуны имеют в среднем состав: С — 2—4%, S i— 1,5—4%, Мп — 0,6—1,25 %, р — о,1—1,2 %, S<0,06 %. Чугуны подразделяют на бе­ лые, серые и ковкие. В белом чугуне весь углерод нахо­

дится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. В основном эти чугуны идут на переплавку в сталь или используются для полу­ чения ковкого чугуна.

При замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению Fe3C— ►Fe+ -[-С с образованием феррита и графита. В результате по­ лучается серый чугун, имеющий благодаря графиту серый излом. В зависимости от степени разложения це­ ментита серый чугун может иметь структуры: перлит— графит; перлит—графит—феррит; феррит—графит. С увеличением содержания феррита и перлита в чугуне уменьшается его твердость и увеличивается пластичность. Образованию тонкодисперсного графита способствуют специальные присадки, из которых наибольшее распрост­ ранение получил ферросилиций.

Серые чугуны — это литейные чугуны: они обладают хорошими литейными качествами — жидкотекучестью, мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротивляются из­ носу. Серые чугуны с высоким содержанием фосфора (0,3—1,2 %), жидкотекучи и используются для художе­ ственного литья. Установлены следующие марки отливок

СЧ 320—520, СЧ 360—560, СЧ 400—600, СЧ 440—640. «СЧ» обозначает серый чугун. Первое число показывает предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе — предел прочности при испытании на изгиб. Чугун марки СЧ 00 не испытывается.

Кроме указанных чугунов применяются легированные чугуны, которые наряду с обычными примесями содержат легирующие элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность износоустойчи­ вость, сопротивление ржавлению и т. д.

Ковкие чугуны — разновидность серых чугунов, полу­ чаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания при высокой температуре. Такая термическая обработка на­ зывается томлением. При этом цементит распадается, и выделившийся при его распаде графит образует хлопье­ видные включения, равномерно рассеянные в массе фер­ рита. Ковкие чугуны наиболее пластичны из всех видов чугунов. Из серых чугунов изготовляют элементы строи­ тельных конструкций, в том числе и таких ответственных,

как опорные части железобетонных балок, ферм, башма­ ки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена

идр.

3.Цветные металлы и сплавы

На долю цветных металлов приходится всего лишь 5 % мирового производства металлов. Это объясняется их небольшим содержанием в земной коре, малым со­ держанием в рудах, а также сложностью производства.

В строительстве из цветных металлов и сплавов из­ готовляют легкие конструктивные элементы, теплооб­ менные апараты, электрооборудование, химически- и ог­ нестойкие конструкции и т. д. Большое количество цвет­ ных металлов и их сплавов используют в строительных машинах, оборудовании и инструментах. Широко при­ меняемые цветные металлы называют техническими. К ним относятся медь, алюминий, магний, титан, ни­ кель, свинец, цинк, олово. Остальные цветные металлы относятся к редким. В чистом виде цветные металлы при­ меняют редко, чаще — в виде сплавов. Большое распрост­ ранение получили медные сплавы: латуни и бронзы.

Латунь — это сплав меди с цинком. Кроме двухком­ понентной латуни в промышленности применяют спла­ вы, содержащие Al, Pb, Ni, Sn, Мп. Латуни в зависимос­ ти от химического состава подразделяются на марки: томпак Л96 и Л90 (88—97 % Си), полутомпак Л80 и Л85 (79—86 % Си), латунь Л62, Л68 и Л70 (цифры 62, 68 и 70 показывают содержание меди, %), алюминие­ вая латунь ЛА77-2, марганцовистая латунь ЛМц58-2, железомарганцовистая ЛЖМц59-1-1 и никелевая латунь ЛН65-5.

Бронза — это сплав меди с оловом, марганцем, алю­ минием, никелем, кремнием, бериллием и другими эле­ ментами. Бронза маркируется буквами Бр, а далее сле­ дуют буквы и цифры, показывающие содержание леги­ рующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100 % и общим процентным содержани­ ем остальных элементов. Например, бронза марки БрОЦС 8-4-3 содержит 8 % Sn, 4 % Zn, 3 % Pb и 85 % Си. Различают бронзы оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот), алюминиевую (очень прочна, химически стойка, обладает антифрикционными свойствами), кремнистую

(хорошо работает в условиях трения и высокой темпе­ ратуры) и бериллиевую (искробезопасна).

Алюминий — один из распространенных металлов в земной коре. Мировое производство алюминия с каждым годом все больше увеличивается. Применение алюминия и его сплавов наиболее эффективно при возведении лег­ ких конструкций зданий и сооружений, конструкций, под­ верженных действию агрессивной коррозионной среды, а также конструкций и изделий, к внешнему виду кото­ рых предъявляются повышенные требования — элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты высотных зданий и т. п.

Предел прочности чистого алюминия составляет 10 МПа, а некоторых конструкционных алюминиевых спла­ вов доходит до 62 МПа. Плотность алюминия и его спла­ вов составляет 2,65—2,85, а стали 7,85 г/см3, т. е. алю­ миний легче стали почти в 3 раза. Модуль упругости алюминия небольшой — 0,71 • 105 МПа, т. е. в три раза меньше, чем стали (2,Ы 05МПа). Это значит, что дефор­ мации алюминиевых конструкций при прочих равных условиях будут значительно превышать деформации стальных конструкций. Алюминий и его сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения (22-10~в), чем сталь (11,8-Ю”6).

На воздухе поверхность алюминия быстро теряет ме­ таллический блеск, покрываясь тонкой и прочной защит­ ной пленкой, состоящей из окиси алюминия. Защитная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления, обладает хорошей коррозионной стойкостью во многих средах.

Алюминиевые сплавы при низких температурах со­ храняют свои основные механические свойства (времен­ ное сопротивление, предел текучести, относительное уд­ линение). Алюминий и его сплавы при пластической де­ формации упрочняются за счет наклепа. Многие алю­ миниевые сплавы подвергаются термообработке для при­ дания им высоких механических свойств. Термическая обработка обычно состоит из закалки и естественного или искусственного старения.

Искусственным старением называется нагрев зака­ ленного алюминиевого сплава до температуры, не превы­ шающей 150°С, с выдержкой при этой температуре в течение нескольких часов. В этом случае происходит уп­ рочнение сплава в результате изменения внутреннего его