Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. Учебное пособие
.pdf
О.В. КОНОНОВА, И.И. МАГОМЕДЭМИНОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Йошкар-Ола
2006
УДК 691
ББК 38.3
К 64
Научный редактор:
заслуженный строитель РМЭ И.А. .Лазарев
Рецензенты:
зав. кафедрой механизации и переработки с/х продукции МарГУ,
канд. техн. наук И.И. Попов;
зав. кафедрой общетехнических дисциплин МГПИ им.
Н.Крупской, канд. техн. наук И.А.Полянин
Печатается по решению
редакционно-издательского совета МарГТУ
Кононова, О.В.
К 64 Технология конструкционных материалов: учебное пособие /
О.В. Кононова, И.И. Магомедэминов. – Йошкар-Ола: МарГТУ,
2006. – 92 с. – ISBN 5-8158-0435-5
Приведены важнейшие виды металлических и неметаллических конструкционных материалов, описаны общие принципы технологии их получения и переработки, приведены сведения о методах оптимизации их
состава и свойств.
Для студентов строительных специальностей дневной и заочной форм
обучения.
УДК 691
ББК 38.3
ISBN 5-8158-0435-5 © Марийский государственный
технический университет, 2006
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Долговечность и надежность строительных объектов во многом
определяется выбором несущих конструкций. Для изготовления нес ущих конструкций используют металлические и неметаллические ко нструкционные материалы.
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов строительных специальностей и освещает вопросы строения, свойств и технологии конструкционных материалов в их взаимосвязи.
Пособие состоит из двух разделов. В 1-м разделе рассмотрены металлические конструкционные материалы – черные и цветные металлы и
сплавы. Во 2-м разделе уделено внимание таким распространенным в
строительстве конструкционным материалам, как природный камень,
керамика, древесина, конструкционные пластмассы.
4
ВВЕДЕНИЕ
Технология есть совокупность методов обработки, изготовления, изме-
нения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката,
осуществляемых в процессе производства. Рациональный выбор материалов
и технологии их переработки в строительные изделия и конструкции предопределяет надежность и долговечность зданий и сооружений. Вопросы
материаловедения и технологии, рассмотренные в учебном пособии, отражают закономерность связи структуры и свойств конструкционных материалов и позволяют решать задачи оптимизации технологии переработки их в
изделия.
История развития технологии конструкционных материалов связана с
историей развития общества. Первыми конструкционными материалами,
которые человек использовал в первозданном виде, были камень и древесина. Возникновение технологии обработки природного камня стало первой
технической революцией. Первое общественное разделение труда способствовало разработке основ технологии производства строительных изделий
из древесины и керамики. Технологию керамики и технологию плавления и
литья меди относят к техническим достижениям эпохи неолита.
Третье тысячелетие до н.э. ознаменовалось открытием оловянной бронзы. В ранний бронзовый век было освоено литье металлов с модифицирующими добавками. С истощением запасов меди, начиная с XI…X в.в. до н.э.,
люди перешли к освоению технологии получения железа. Совершенствовалась технология переработки железных руд. Использование древесного угля
позволяло повышать температуру переработки руд до 900оС. Загрязненный
шлаком полуфабрикат очищали прокаливанием и ковкой, получая кузнечное
железо. Новая эпоха в развитии конструкционных материалов началась со
2-го тысячелетия н.э., что было обусловлено использованием для привода
машин и механизмов энергии падающей воды. С появлением воздуходувок
стало возможным расплавлять металл в горнах, перерабатывать расплав в
ковкое железо и очищать его от примесей. В XVII веке появились первые
металлургические заводы по производству чугуна. В середине XVIII века в
качестве топлива для плавки руд был применен каменный уголь и разработана технология пудлингования – передела чугуна в малоуглеродистое железо на поду печи. Открытие коксования каменного угля ускорило развитие
металлургии. Во второй половине XIX века освоен промышленный выпуск
стали.
XIX век ознаменован крупными открытиями, которые привели к созда-
нию принципиально новых технологий и материалов: технологии электросварки, технологии получения полимеров.
Начиная с ХХ века в практике строительства находят применение новые
типы многокомпонентных конструкционных материалов: композиционные
материалы.
5
Раздел I
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
1.1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИМЕНЕНИИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Металлы и сплавы – это конструкционные материалы, наиболее пол-
но отвечающие требованиям прочности, надежности, долговечности. В
силу высокой надежности их применяют для возведения наиболее ответственных сооружений. Наибольшее применение в строительстве
нашли конструкции из железоуглеродистых и алюминиевых сплавов,
имеющие ряд преимуществ. Например, известно, что стальные конструкции имеют в 5 раз меньшую массу по сравнению с железобетонными, более транспортабельны, более технологичны при сборке, легко
поддаются усилению в случае роста нагрузок. Недостатки стальных
конструкций состоят в сравнительно низкой огнестойкости, в подверженности коррозии и, вследствие этого, повышенных затратах на эксплуатацию. К числу достоинств конструкций из алюминиевых сплавов
относят низкую среднюю плотность, стойкость к коррозии, архитектурную выразительность, отсутствие порога хладноломкости. Недостатки –
низкий модуль упругости и более высокий коэффициент температурного
расширения.
В XVII…XVIII веках чугунные конструкции стали применять в виде
балок, колонн, лестниц, ферм. Из истории возведения металлических
сооружений известно, что первый чугунный мост был построен через
р. Северн в Англии в 1779 г. Он имел пролет 30,3 м. Первый чугунный
мост в России был возведен в Петербурге в 1784 г. Эти конструкции по
форме повторяли очертания каменных сооружений. Большое значение
для распространения металлических строительных конструкций имело
производство эффективных прокатных профилей, наиболее полно соответствующих работе металла в сооружениях. Вальцовка прокатных
профилей началась в 1769 г. Угловые, тавровые и зетовые профили
начали прокатывать 1820 г. в Англии. Рельс впервые изготовлен в США
в 1832 г. Прокат двутавровых профилей впервые начат во Франции в 1848
г. В США оценили преимущества металлических конструкций, и развитие строительной отрасли в Штатах базировалось на металлических
6
конструкциях. В 1883 г. был возведен Бруклинский мост висячей конструкции пролетом 500 м с проволочными тросами. Первый каркас
небоскреба был сооружен в 1885 г., а в 1932 г. возведен каркас знаменитого небоскреба Эмпайр Стейт Билдинг высотой 425 м. В 30-е годы 20
века в Сан-Фрациско возведен вантовый мост через пролив Золотые
Ворота с пролетом около 1280 м. Кабели, поддерживающие проезжую
часть, имели массу 9500 тонн каждый, были изготовлены из 61 пряди,
каждая из которых была свита из 452 проволок толщиной по 5 мм.
Сталь проволок имела временное сопротивление разрыву 2000 МПа
(200кг/мм2). Во Франции в 1889 г. Густавом Эйфелем по случаю проведения Всемирной выставки в рекламных целях была сооружена Эйфелева башня высотой 300 м. Благодаря большому количеству желающих
посмотреть на Париж с птичьего полета она очень скоро окупилась. В
дальнейшем ее также стали использовать как радио- и телебашню. Сейчас подъем на нее осуществляют скоростные лифты.
Первым описал процесс кристаллизации стали из жидкой фазы инженер Д. К. Чернов (1839…1921 г.) Он установил зависимость строения
стали от условий отливки, ковки, термической обработки. Русский инженер В.Г. Шухов в 1896 г. предложил проект башни в виде гиперболоида вращения. Им же разработаны пространственные системы в виде
растянутых поверхностей и сетчатых сводов. На всемирной выставке в
Париже в 1900 году особо отмечены труды обоих выдающихся русских
ученых – Дмитрия Константиновича Чернова и Владимира Григорьевича
Шухова. В 20-х годах ХХ века в России, в Москве, в период разрухи и
гражданской войны башня по проекту В.Г. Шухова была возведена. Сегодня эта башня высотой около 150 м известна всем как Шаболовская.
Алюминий впервые был применен в 1896 г. в Монреале для карниза
здания страхового общества. В начале 20-го века в Италии из алюминия
возведены купола церквей. До сих пор они находятся в хорошем состоянии. Впервые цельноалюминиевое здание фирмы «Валло» построено в
1937 г. во Франции. Колонны, ригели и кровля выполнены из алюминиевых профилей. В США, в Питтсбурге, в здании вычислительного центра фирмы «Вестингауз» колонны, стропильные фермы и ограждающие
конструкции смонтированы из алюминиевых сплавов. В жилищном
строительстве алюминиевые сплавы сегодня используют для ограждающих конструкций покрытий и стен, для изготовления жалюзи, переплетов, навесов, карнизов, архитектурных деталей. С середины 20-го
века в строительстве применяются металлические решетчатые пространственные конструкции для покрытия зданий с пролетом свыше
100 м – однопоясные - в сводах, сферических куполах, гиперболических
7
оболочках и двухпоясные – в призматических конструкциях, работающих как решетчатые плиты покрытий.
Впервые применил кислород для интенсификации мартеновского
процесса советский академик И. П. Бардин (1883 - 1960 гг.). Он был одним из руководителей строительства Кузнецкого металлургического
комбината. И.П. Бардин создал первые установки для непрерывной разливки стали. Лицензия на непрерывную разливку стали продана Японии
и другим государствам.
В результате научно-технического прогресса в последние годы сильно изменились классические методы производства металлических изделий и конструкций, внедряются принципиально новые технологии. Все
это способствует расширению технических возможностей металла, применяемого в строительстве, позволяет создавать новые архитектурные
формы зданий, решать задачи конструирования уникальных строительных объектов. В настоящее время уделяется внимание выпуску перспективных видов металлопродукции – листовому прокату, прокатным профилям, широкополочным гнутым прокатным профилям из алюминиевых сплавов.
1.2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение
(рис.1). Например, кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку имеют: натрий, калий, вольфрам, хром и др. Кубическую
гранецентрированную решетку имеют алюминий, медь, серебро, золото,
никель и др. Гексагональную плотноупакованную решетку образуют
цинк, магний, берилий и др. Некоторые металлы обладают полиморфизмом: при изменении температуры в твердом состоянии они способны к перекристаллизации, то есть к изменению строения кристаллической решетки. Так, например, железо при остывании из расплава испытывает ряд полиморфных превращений.
В интервале температур от 1539°С до 1400°С железо имеет решетку
объемно-центрированного куба и называется высокотемпературной
δ-модификацией (Fеδ). При температуре 1400°С происходит перекристаллизация железа, и оно приобретает кристаллическую решетку гранецентрированного куба и обозначается Fеγ. При температуре ниже 910°С
Fеγ вновь испытывает полиморфное превращение в Fеα, приобретая кри-
8
сталлическую решетку объемно-центрированного куба. При температу-
Рис. 1. Различные виды
кристаллических решеток:
а - объемно-центрированный куб;
б - гранецентрированный куб;
в - гексагональная решетка
а) б) в)
Рис. 2. Кристаллические решетки:
а - чистого металла; б - твердого раствора замещения;
в - твердого раствора внедрения
ре ниже 768°С Fеα начинает проявлять магнитные свойства.
Кроме железа, свойством поли-
морфизма обладают и другие металлы, например, марганец, кобальт,
олово. Кристаллическое строение
сплавов более сложное в сравнении с
чистыми металлами. Сплавы в твердом состоянии могут образовывать
механические смеси, химические соединения или твердые растворы. Механические смеси характеризуются
отсутствием химического взаимодействия или взаимного растворения
компонентов. Кристаллическое строение их характеризуется присутствием
кристаллических решеток обоих компонентов сплава. В химическом соединении компоненты сплава в строгом соотношении по массе вступают
в химическое взаимодействие. При
этом образуется новая кристаллическая решетка. В твердых растворах компоненты сплава взаимно растворяются друг в друге в интервалах
концентраций.
Строение твердых растворов определяется типом кристаллической
решетки компонента сплава, который выполняет функцию растворителя. Различают два основных вида твердых растворов - замещения и
внедрения (рис. 2). В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента замещают отдельные атомы в решетке компонента рас-
9
творителя. В твердых растворах внедрения атомы растворенного компо-
Металл,
сплав
Плотность,
г/см3
Временное
сопротивление
разрыву, МПа
Относительное
удлинение,
%
Твердость,
НВ,
кгс/мм2
Железо
7,57
200-250
50-60
70-80
Сталь 30
7,80
270-550
15-20
120
Алюминий
2,70
50-100
10-35
45 -50
Сплавы
алюминия
2,55-2,80
50-600
2-12
65 -150
Сплавы
титана
4,5
1600-1700
15-20
150-200
нента размещаются в междуузлиях кристаллической решетки компонента растворителя.
При затвердевании расплава металла вначале образуются мельчайшие кристаллы правильной формы, затем, по мере охлаждения, они увеличиваются в размерах и срастаются между собой в виде деформированных (неправильной внешней формы) кристаллов. Кристаллы неправильной формы называют зернами. Зерно представляет собой комплекс
одинаково ориентированных кристаллических решеток. Соседние зерна
отличаются различной ориентацией кристаллических решеток. Они повернуты друг относительно друга на десятки градусов.
Кристаллические решетки зерна могут иметь различные несовершенства в виде наличия вакансий или примесных атомов. Несовершенства кристаллических решеток и состояние границ зерен в металлах
влияют на свойства металлов.
Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две группы –
черные и цветные. Черные металлы представляют собой сплавы железа
с углеродом. Кроме углерода, черные металлы могут содержать в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы. В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на чугуны и стали. Сталь содержит менее 2 %
углерода. Она пластична, упруга, обладает высокими технологическими
свойствами. Физико-механические свойства сталей повышаются добавкой
легирующих элементов. В зависимости от их содержания различают стали
низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
Физико-механические свойства металлов и сплавов
Таблица 1
10
Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода превышает 2 %. Присутствие в чугуне углерода, серы и фосфора повышает хрупкость чугуна. Добавки легирующих элементов (хрома, никеля, алюминия и др.) придают чугуну более высокие
жаростойкость, износостойкость и стойкость к коррозии. Из цветных
металлов в строительстве находят применение алюминий и его сплавы,
цинк, свинец, титановые и магниевые сплавы.
Широкому использованию металлов способствует ряд их ценных
свойств: высокая прочность, пластичность, технологичность. В табл. 1
приведены физико-механические свойства некоторых металлов и сплавов.
1.2.1. Технологические пробы
Технологическими пробами называются испытания, выявляющие
способность металла принимать определенные деформации или воздействия, подобные тем, которые металл должен претерпевать при его обработке или в условиях дальнейшей его службы в виде изделий. Путем
технологических испытаний устанавливаются вязкость металла, степень
ломкости его при разных температурах, способность металла коваться,
свариваться, принимать закалку и т.д.
От механических испытаний технологические пробы отличаются
тем, что при них не определяются усилия, необходимые для того, чтобы
произвести ту или иную деформацию. Пригодность металла для технологической обработки устанавливается по его способности воспринимать заданную деформацию (например, загиб, осадку, перегиб и т.д.) без
признаков нарушения целостности деформируемого образца.
На рис. 3 а схематически показана проба на загиб в холодном и
нагретом состояниях. Загиб можно произвести на различный угол,
вплоть до соприкосновения сторон. Металл, выдержавший пробу, не
должен иметь трещин.
Качество сварочных швов также можно определить по загибу (рис. 3 б),
при этом чем больше угол загиба α, тем сварка более качественная.
На рис. 3 в показана проба на осадку в холодном состоянии металла
при сжатии. Образец считается выдержавшим пробу, если при осадке до
заданной высоты h в нем не появились трещины или изломы.
Для выявления способностей металлической трубы применить заданный по размерам и форме загиб проводят испытания на загиб
(рис. 3 г). Трубу перед испытанием заполняют сухим песком или кани-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]