книги / Строительные материалы

Рис. 11.26. Схема дуговой электросварки

а — способ Н. Н. Бенардоса; 6 — способ Н. Г. Славянова; / — электрод; 2 — держатель; 3 — свариваемая деталь; 4 — электрическая дуга; 5 — гибкий про­ вод; 6 — присадочный металл; 7 — плита

Рис. 11.27. Схема различных видов контактной сварки

а— стыковая; б — точечная; в — роликовая

иазотирования, а также обеспечивающего раскисление металла и уменьшение скорости его охлаждения.

Вслучае необходимости сварки металла толщиной 100—120 мм и более за один проход используют электро- шлаковую сварку. Такая сварка происходит за счет теп­ лоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через расплавленный флюс (шлак), нагретый до температуры, превышающей температуру плавления сва­

риваемого металла.

Электродуговая сварка под водой достигается приме­ нением специального электрода с толстой водонепрони­ цаемой обмазкой, плавящейся медленнее этого электро­ да. Обмазка обеспечивает устойчивость горения дуги под водой из-за образования газового пузыря. В состав об­ мазки входят железный сурик, мел, титановая руда, по­ левой шпат, растворимое стекло.

Электроконтактная сварка основана на нагревании Места сварки электрическим током высокой плотности

(десятки и сотни тысяч ампер) с одновременным сдав­ ливанием деталей для облегчения взаимного проникно­ вения атомов свариваемых металлов. Преимуществом электроконтактной сварки перед другими видами сварки является возможность полной механизации и автомати­ зации. Высокая плотность тока и незначительное напря­ жение (0,5—10 В) создают в месте контакта быстрый нагрев до плавления. Схемы различных видов электро­ контактной сварки показаны на рис. 11.27.

Стыковая контактная сварка обеспечивает соедине­ ние отдельных металлических частей деталей по всей по­ верхности соприкосновения. Качество стыковой контакт­ ной сварки определяется выбором правильного режима, электрической мощностью (5—15 кВт на 1 см2), дли­ тельностью сварки (4—40 с при стальных стержнях диа­ метром 6—50 мм), скоростью оплавления, давлением осадки.

Точечная сварка — самый распространенный вид элек­ троконтактной сварки. Она применяется при соединении деталей в отдельных местах в виде небольших площа­ док (точек). Необходимая для разогревания теплота соз­ дается электрическим током, подводимым медными элек­ тродами, между которыми помещается и зажимается сва­ риваемая деталь. Точечная сварка широко используется при сваривании пересечений арматуры для железобетон­ ных конструкций, прокатных и штампованных профилей, сортовой стали малой толщины. Качество сварки дости­ гается правильным выбором длительности нагрева (от десятых до тысячных долей секунды), давления между электродами во время нагреза и после него, диаметра медного электрода и других факторов. Для точечной сварки выпускаются автоматические и неавтоматические машины; их мощность зависит от толщины свариваемых изделий.

Шовная, или роликовая, сварка позволяет делать сое­ динение листового металла непрерывным швом. При шов­ ной сварке применяются электроды в виде роликов (диа­ метр 40—350 мм, ширина обода 4—б мм). Этот вид сварки по типу применяемых машин и по приемам не отли­ чается от точечной. Режим шовной сварки определяется шагом образующих шов точек (1,4—4,5 мм), усилием, приложенным к роликам, диаметром роликов, силой сва­ рочного тока, скоростью сварки. При непрерывной роли­ ковой сварке металл и электроды сильно нагреваются, а

потому более распространенной является сварка с чере­ дующимся кратковременным включением и выключением электрического тока, но непрерывным перемещением де­ тали.

Газовая сварка основана на получении необходимой теплоты для расплавления свариваемых деталей за счет химической реакции горения газов (ацетилена, водорода, бутана, природного газа, паров бензина, керосина и т.п.). Наиболее широко в практике применяют газ ацетилен (С2Н2). Ацетилен к месту сварки доставляют в балло­ нах под давлением 1,6—2,2 МПа, которое снижается до рабочего давления редуктором. Ацетилен может быть получен и на месте потребления в специальных генера­ торах путем воздействия воды на карбид кальция. При соотношении кислорода к ацетилену 1,1 1,2 достигается температура горения 3100 °С. Изменение соотношения кислорода и ацетилена приводит к нарушению нормаль­ ного горения: при избытке кислорода пламя становится окислительным, а при избытке ацетилена сварочное пла­ мя насыщается раскаленными частичками углерода и температура резко снижается.

Ацетилен и кислород смешиваются в специальной го­ релке, по выходе из которой происходит горение. Наи­ большее распространение получили горелки инжектор­ ного типа, в которых струя кислорода при выходе из го­ релки создает разрежение, благодаря чему и происходит принудительное засасывание ацетилена. В зависимости от толщины свариваемого металла наконечники и горел­ ки меняются.

При газовой сварке для создания сварочного шва вводят присадочные прутки. Такие прутки должны иметь химический состав, близкий к составу свариваемого ме­ талла. Для повышения производительности сварки и улучшения качества шва применяют многопламенные го­ релки с несколькими мундштуками.

Для соединения трубопроводов, рельсов, инструмента и т. д. применяют газопрессовую сварку, при которой де­ тали нагревают многопламенными горелками до перехо­ да металла в пластичное состояние или до оплавления, а затем сваривают при сильном обжатии деталей.

1. Виды коррозии

Коррозия — процесс химического или электрохимиче­ ского разрушения металлов под действием окружающей среды. Установлено, что от коррозии ежегодно теряется безвозвратно около 10 % всех производимых металлов.

Химическая коррозия происходит в результате окис­ лительного и восстановительного процессов, протекаю­ щих одновременно. Химическое взаимодействие метал­ лов с внешней средой состоит в основном из окисления (с образованием окалины), диффузии атомов (ионов) ме­ талла сквозь оксидные пленки и встречного перемещения атомов (ионов) кислорода к металлу. Химическая корро­ зия возможна в любой внешней среде, но наблюдается, главным образом, в воздухе при высокой температуре, в жидких неэлектролитах (нефти, бензине, керосине, рас­ плавленной сере). Химическая коррозия в газообразной среде при высокой температуре называется также газо­ вой коррозией.

Электрохимическая коррозия — наиболее распростра­ ненный вид коррозии металлов. Она происходит при взаимодействии металлов с жидкими электролитами (водой, водными растворами солей, кислот, щелочей, расплавами солей и щелочей). При соприкосновении ме­ талла с водными растворами между ними начинается взаимодействие, так как катионы металлов, находящиеся на поверхности кристаллических решеток, не удержива­ ются и переходят в окружающую среду. В сухом газе ка­ тионы поверхность покинуть не могут. Металл, потеряв­ ший положительный заряд, заряжается отрицательно оставшимися электронами, а слой раствора, прилегаю­ щий к металлу, заряжается положительно — возникает скачок потенциала. Этот процесс постепенно доходит до получения определенного значения потенциала, и затем растворение металла прекращается. В случае нарушения равновесия, связанного с перемещением электронов, про­ цесс коррозии продолжается.

Установлен ряд напряжений для различных элемен­ тов (табл. 11.6), согласно которому при контакте двух металлов всегда разрушается более электроотрицатель­ ный металл. Например, при контакте цинка с железом разрушается цинк. Коррозии способствуют неоднородно-

сти металла, при этом образуются микропары. Например, в перлите феррит более электроотрицателен, чем цемен­ тит, феррит и будет разрушаться в соответствующих ус­ ловиях.'

На скорость растворения металла в электролите вли­ яют примеси, способы обработки, концентрация электро­ литов. Металл, находящийся под нагрузкой, корродирует значительно быстрее ненагруженного, так как нарушает­ ся целостность защитной пленки и образуются микротре­ щины. Активному протеканию процесса коррозии способ­ ствуют углекислый, в особенности, сернистый газы, хло­ ристый водород, различные соли.

2. Защита металлов от коррозии

Защиту от коррозии следует начинать правильным подбором химического состава и структуры металла. На практике для защиты металла от коррозии применяют

легирование и защитные покрытия.

Легирующие элементы образуют с основным метал­ лом сплавы, твердые растворы, которые повышают коррозиеустойчивость металла. Незначительная добавка ме­ ди и хрома (менее 1 %) значительно повышает сопро­ тивление стали коррозии, а введением до 20 % различных легирующих добавок можно получить нержа­ веющие стали.

Для защиты металла от коррозии на его поверхности создают также пленки. Эти пленки могут быть металли-

ческими, оксидными, лакокрасочными и т. п. Металличе­ ские пленки представляют собой механическую защиту (катодное покрытие) или электрохимическую (анодное х покрытие).

Катодное покрытие — это покрытие металлом, кото­ рый более электроположителен, чем основной. Например, железо способом лужения покрывают оловом. Разруше­ ние основного металла может произойти только в том случае,.если на покрытии образуется трещина или отвер­ стие, и пленка уже не будет механически защищать ме­ талл.

Анодное покрытие — это покрытие более электроотри­ цательным металлом, чем основной. В соответствующих условиях будет разрушаться покрывающий металл. В случае повреждения (трещины и т. п.) электрохимичес­ кое растворение металла покрытия препятствует корро­ зии основного металла. Примерами этого вида защиты стали являются цинкование и хромирование.

Наносить катодное и анодное покрытие можно мето­ дом погружения детали в расплавленный металл, темпе­ ратура плавления которого ниже температуры плавле­ ния детали. Более универсальный метод покрытия — гальванический, основанный на электролитическом осаж­ дении металлических осадков из растворов солей, причем основной металл является катодом, осажденный ме­ талл — анодом.

При оксидировании естественную оксидную пленку, всегда имеющуюся на металле, делают более прочной пу­ тем ее обработки сильным окислителем, например, вод­ ным раствором NaOH+NaN03 при 125—140 °С в течение 40—60 мин. Изделие, покрытое оксидной пленкой толщи­ ной 2—5 мкм, окрашивается в сине-черный цвет. Вороне­ ние— частный случай оксидирования. При воронении на поверхности также создается оксидная пленка, но более сложными приемами, связанными с многократной терми­ ческой обработкой при 300—400 °С в присутствии древес­ ного угля.

или марганца в результате обработки металла фосфата­ ми железа или марганца.

Плакирование— наложение на основной металл тонко­ го слоя защитного металла (биметалла) и закрепление

его путем горячей прокатки (например, на железо мед­ ный сплав, на дуралюминий чистый алюминий).

Металлизация — покрытие поверхности детали рас­ плавленным металлом, распыленным сжатым воздухом. Преимущество этого метода защиты металла в том, что покрывать расплавом можно уже собранные конструк­ ции, недостаток заключается в том, что получается ше­ роховатая поверхность.

Лакокрасочные покрытия основаны на механической защите металла пленкой из различных красок и лаков.

При временной защите металлических изделий от кор­ розии (транспортировании, складировании) используют для покрытия металла невысыхающие масла (техничес­ кий вазелин, лак этиноль), а также ингибиторы — веще­ ства, замедляющие протекание коррозии. Из ингибито­ ров наиболее распространен нитрит натрия.

Ванны, раковины, декоративные изделия для защиты от коррозии покрывают эмалью, т. е. наплавляют на ме­ талл при 750—800 °С различные комбинации силикатов (кварц, полевой шпат, буру, глину и др.).

ГЛАВА 12. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Наша страна располагает почти четвертью зеленых богатств планеты. Лес — наше великое богатство. В от­ личие от богатств земных недр лес восстанавливается и при рациональном пользовании может стать неубываю­ щим источником сырья. Велика роль леса в охране окру­ жающей среды и оздоровлении воздушного бассейна, по­ этому в СССР постоянное внимание уделяется восстанов­ лению лесов в зонах промышленных разработок, а так­ же разведению лесов в защитных и водоохранных зонах.

Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной и глубокой переработки древесины. Наряду с такими традиционными материалами, как круглый лес, доски, брусья, шпалы и т. п., все шире применяют кле­ еные деревянные конструкции и разнообразные изделия, получаемые из отходов лесообработки. Отходы от пере­ работки древесины (горбыль, рейки, стружки, опилки и т. п.) составляют значительную долю (50—60 %) заго­ товляемой древесины. Эти отходы, а также неделовую (дровяную) древесину превращают, используя хорошо

освоенную технологию, в древесно-стружечные и древес­ но-волокнистые плиты с ценными и разнообразными свой­ ствами. На передовых деревообрабатывающих комбина­ тах коэффициент использования древесного сырья дохо­ дит до 0,98.

Высокая прочность и упругость древесины сочетают­ ся с малой плотностью, а следовательно, с низкой теп­ лопроводностью. Древесина морозостойка, не растворя­ ется в воде и органических растворителях, способных растворить синтетические полимеры. Хорошо известна легкость обработки древесины, удобство скрепления де­ ревянных элементов с помощью клея, врубок, гвоздей и пр. Однако древесине присущ ряд особенностей, кото­ рые должны учитываться при обработке, хранении и эк­ сплуатации лесоматериалов.

Качество древесины зависит от породы дерева, усло­ вий его роста и наличия тех или иных пороков (трещин, сучков и пр.), поэтому прочность и другие характеристи­ ки древесины^ колеблются в очень широких пределах. К тому же прочность сильно меняется при изменении влаж­ ности, причем увлажнение сопровождается разбуханием, а высушивание — значительной усушкой. Неравномер­ ность усушки вызывает коробление и растрескивание до­ сок и других лесных материалов. Волокнистое анизотроп­ ное строение древесины предопределяет и неодинаковые ее механические, теплотехнические и другие свойства в разных направлениях, что учитывается при проектирова­ нии деревянных конструкций.

Недостатками древесины является легкая возгорае­ мость и гниение, происходящее под влиянием грибковых поражений.

Изготовление деревянных конструкций путем склеи­ вания тонких элементов водостойкими полимерными кле­ ями уменьшает усушку, предотвращает коробление. Для борьбы с гниением древесины ее пропитывают антисеп­ тиками; огнестойкость повышают применением антипире­ нов.

§2. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

1.Макроструктура древесины

Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон, которая содержится в стволе дерева. Ствол де­

рева состоит из клеток, имеющих разное назначение в растущем дереве, а следовательно, разную форму и ве­ личину. Макроструктуру ствола (видимую невооружен­ ным глазом или через лупу) можно рассмотреть на трех основных разрезах (рис. 12.1).

На торцевом срезе видна кора, камбий и древесина. Кора состоит из наружной кожицы, пробкового слоя под ней и внутреннего слоя — луба. Под слоем луба у расту­ щего дерева находится тонкий камбиальный слой, состо­ ящий из живых клеток, размножающихся делением. Дре­ весина состоит из вытянутых веретенообразных клеток — ячеек, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. Эти пустотелые ячейки образуют волокна, воспринимаю­ щие механические нагрузки. Вначале в листьях дерева из атмосферного углекислого газа и воды под действием солнечного света образуется глюкоза, хорошо растворяю­ щаяся в воде. В растворенном виде глюкоза по внутрен­ ним каналам дерева поступает к растущим клеткам кам­ бия. В стенке клетки молекулы глюкозы соединяются своими концами между собой:

-ОН + Н О - — О — + Н20.

Врезультате происходящей реакции поликонденсацин образуются кислородная связь (—О—) и молекула воды, уходящая в. сок дерева. Кислородная связь объединяет кольца глюкозы в макромолекуле целлюлозы, состоящей из нескольких сотен глюкозных ячеек:

сн2он сн2он cH*ort

Следовательно, целлюлоза является природным ли­ нейным полимером, нитевидные цепи которого жестко связаны (сшиты) гидроксильными связями. Это объясня­ ет отсутствие у древесины области высокоэластичного состояния, возникающего при нагревании многих линей­ ных полимеров. Ежегодно в вегетативный период кам­ бий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола в значительно большем объеме клетки древеси­ ны. Деление клеток камбиального слоя начинается вес-