3. Металлы, их поведение в условиях пожара и способы повышения стойкости к его воздействию

Цель:

Знать структуру металлов и сплавов; основные свойства металлов; классификацию сталей, их состав, свойства, маркировку; алюминиевые сплавы: виды, состав, маркировка, свойства.

Иметь представление: о применении металлов в строительстве, видах классов стальной арматуры, о способах повышения стойкости металлических сплавов к воздействию пожара.

Уметь прогнозировать поведение металлов при воздействии высоких температур.

Содержание:

1. Общие сведения о металлах и сплавах (определение, классификация, достоинства, недостатки).

2. Строение металлов и их свойства.

3. Применение металлов в строительстве.

4. Поведение металлов и сплавов в условиях пожара.

5. Способы повышения стойкости металлов к воздействию пожара и защита металлических конструкций.

В строительстве чистые металлы применяют довольно редко, более распространены сплавы. В первую очередь сплавы железа с углеродом - стали и всевозможные алюминиевые сплавы.

Исключительно важное значение металлов и сплавов в современной технике и строительстве объясняется ценными свойствами, выгодно отличающими их от других материалов. К ним относятся – высокая прочность; способность к значительным пластическим деформациям, что дает возможность обрабатывать их давлением (прокатка², ковка³, штамповка⁴, волочение⁵); хорошие литейные свойства; свариваемость; способность работать при низких температурах и т.д. наряду с этим металлы обладают существенными недостатками: имеют большую плотность, способность кородировать, деформируются при высоких температурах.

Как было сказано выше, в строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (около 94%).

Общие сведения о металлах и сплавах (определение, классификация, достоинства, недостатки)

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

Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугун и стали. Из черных металлов наибольшее применение в строительстве находят стали, из цветных алюминиевые сплавы.

Стали представляют собой сплав железа с углеродом, при содержании последнего до 2 %. При содержании углерода более 2% сплав называется чугуном.

Сталь получают в конверторных или мартеновских печах путем продувки кислородом расплавленного чугуна. В результате продувки происходит окисление различных добавок и части углерода, содержащихся в чугуне. После плавки сталь разливают в изложницы, где происходит остывание и кристаллизация металла. В процессе кристаллизации выделяется большое количество газов и неметаллических включений. Сталь, полученную таким способом, по степени раскисления называют кипящей. Качество такой стали невысокое. В период остывания стали можно ввести специальные раскислители - кремний, марганец, алюминий и др., которые связывают газы и успокаивают процесс кристаллизации. Полученную сталь в этом случае называют спокойной. Качество спокойной стали выше, чем кипящей. В случае неполного раскисления получают промежуточную сталь - полуспокойную.

По химическому составу стали делятся на два класса: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали – стали, в которых кроме железа и углерода присутствуют только нормальные примеси (кремний, марганец, фосфор, сера, кислород).

Нормальные примеси могут быть полезными - кремний, марганец и вредными - сера, фосфор, кислород.

В зависимости от содержания углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,25 – 0,6%) и высокоуглеродистые (более 0,6%).

Легированные стали – стали, в которых кроме нормальных примесей присутствуют (добавлены) легирующие элементы (никель, хром, вольфрам, ванадий и т.д.). Эти добавки позволяют существенно улучшить физико-механические свойства сталей (например, повышение предела текучести без снижения пластичности⁶ и ударной вязкости⁷ и т.д.).

В зависимости от характера влияния, легирующие добавки делят на добавки группы никеля и группы хрома. Входящие в эти группы химические элементы и их условные обозначения приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Материалы, применяемые в качестве легирующих добавок

Группа никеля		Группа хрома
Название материала	Условные обозначения	Название материала	Условные обозначения
Никель	Н	Хром	X
Марганец	Г	Титан	Т
Медь	Д	Алюминий	Ю
Кобальт	К	Вольфрам	В
Азот	А	Ванадий	Ф
И др.		Кремний	С
		Цирконий	Ц
		Ниобий	Б
		Бор	Р
		Молибден	М
		И др.

В зависимости от величины легирующих добавок различают стали низколегированные (до 2,5% добавок), среднелегированные (2,5 – 10%) и высоколегированные (более 10%).

По сравнению с углеродистыми, легированные стали имеют, как правило более высокие показатели прочности, ударной вязкости, стойкости к коррозии, лучше свариваются. Недостатком легированных сталей является более высокая стоимость, чем углеродистых.

Цветные металлы и сплавы подразделяются по плотности на легкие и тяжелые. К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния, а к тяжелым – на основе меди, никеля, олова, свинца.

Алюминий – самый распространенные метал. В земной коре содержится около 8% алюминия и 5 % железа. Сырьем для получения алюминия являются бокситы – породы, содержащие до 65% глинозема (Al₂O₃). Из глинозема алюминий извлекают методом электролитической диссоциации.

Электролитическая диссоциация – распад молекул электролитов (кислот, щелочей, солей) на ионы при их растворении. Распад происходит благодаря воздействию на молекулы электролита полярных, несущих электрическое поле молекул растворителя, например воды. Электролиты – растворы кислот, щелочей и солей, в которых происходит распад молекул на ионы; вещества, проводящие в растворенном или расплавленном состоянии электрический ток.

Алюминиевые сплавы разделяют на две основные группы: литейные и обрабатываемые давлением.

Литейные сплавы в строительстве применяют ограничено – только для изготовления фасонных отливок. Представителем этих сплавов является силумин – сплав алюминия с кремнием. Обозначают литейные сплавы буквами АЛ. Цифра после букв обозначает условный номер сплава, например, АЛ2, АЛЗ и т.п.

Сплавами, обрабатываемы давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой, волочением) являются: авиаль (сплав алюминия с медью (до 2,6%), магнием (0,8%), кремнием (1,2%), марганцем (до 0,8%)); дюралюминий (сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием (до 0,8%), кремнием (0,8%), марганцем (до 0,8%)) и т.д.

Сплавы, обрабатываемые давлением делят на 2 группы:

1. Деформируемые без последующей термообработки:

а) сплавы алюминия с магнием, например, магналий. Обозначение - АмгЗ, Амг5, Амгб. Цифра показывает содержание магния в %;

б) сплавы алюминия с марганцем; обозначение - АМц.

2. Сплавы, деформируемые с последующей термообработкой:

а) сплавы алюминия с медью, магнием, кремнием и марганцем:

авиаль - АВ-Т, АВ-Т1; буква Т - обозначает термическое упрочнение; (цифра 1 обозначает искусственное старение); дюралюмины - Д1-Т, Д16-Т, цифра после буквы Д обозначает условный номер сплава;

б) высокопрочные сплавы алюминия с цинком, магнием, кремнием и марганцем - В92-Т, В92-П и т.п. буква В обозначает, что сплав высокопрочный, цифры обозначают условный номер сплава.

Сравнительно давно введена новая маркировка алюминиевых сплавов -цифровая, например 1915-Т (Т – термически упрочненный сплав). В маркировке первая цифра означает, что основа сплава - А1; вторая - номер композиции компонентов: О -чистый А1; 1 - А1 +Сu+Мg; 3 - А1+Мg+Si; 4 - А1+Мn; 5 - А1+Мg; 9 - А1+Zn. Две последние цифры обозначают порядковый номер сплава.

Достоинства сплавов алюминия:

• стойкость против коррозии;

• хороший внешний вид, не требует какой-либо окраски и отделки поверхности;

• высокая удельная прочность(к.к.к.⁸ = R/);

• сохранение высокой прочности при низких температурах;

• нет искрообразования при ударных воздействиях, что важно во взрывоопасных помещениях.

Недостатки сплавов алюминия:

• невысокий модуль упругости (в 3 раза меньше, чем у стали);

• сложность выполнения соединений (алюминиевый сплав окисляется на воздухе и в месте шва (сварки) сильно снижается прочность из-за нагрева);

• высокий коэффициент температурного расширения (в 3 раза больше, чем у стали);

• низкая огнестойкость конструкций из алюминиевых сплавов.

Увеличение прочностных свойств алюминиевых сплавов можно достигнуть либо холодной пластической деформацией, либо термической обработкой. В основе упрочнения при пластической деформации лежит явление наклепа (для алюминиевых сплавов используют термин нагартовка). В зависимости от степени наклепа (нагартованности) к обозначению сплава добавляют букву: П - полунагартованный сплав, Н - нагартованный сплав, Ш - усиленно нагартованный сплав.

Термическая обработка алюминиевых сплавов состоит из двух операций: закалки и старения⁹.