Строение металлов и их свойства

Все металлы имеют кристаллическую структуру. В расплавленном состоянии атомы металлов находятся в беспорядочном движении, а при переходе в твердое состояние они ориентируются определенным образом в пространстве, образуя кристаллическую решетку. Строение решетки и расположение в ней атомов зависит от вида металла. Наиболее распространенными типами кристаллической решетки являются кубическая – у железа и гексагональная – у алюминия.

Рассмотренные виды кристаллических решеток характерны для идеальных кристаллов. Для реальных металлов и сплавов характерно наличие различных дефектов. Дефекты бывают точечные, линейные, и поверхностные. К самым простым точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы.

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки. Межузельным атомом называется атом, перемещенный из узла в позицию между атомами. Вакансии и межузельные атомы имеются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.

К линейным дефектам относятся дислокации. Дислокации образуются за счет нарушения правильного чередования атомных плоскостей при кристаллизация, а также в результате большого числа вакансий.

Поверхностные дефекты образуются в более крупных структурах металла, например, на границе зерен, т.е. групп кристаллов, которые могут быть сориентированы в пространстве различным образом.

Все физико-механические свойства металлов и их особенности являются следствием кристаллической решетки. Высокая прочность металлов объясняется наличием сил, удерживающих атомы в определенных местах кристаллической решетки. В основе упругих деформаций лежит обратимое смещение атомов кристаллической решетки от положения равновесия. В основе пластического деформирования металлов лежит перемещение дислокаций практически при любых температурах и нагрузках.

Основные свойства металлов:

1. Наличие плоскостей скольжения.

Плоскость скольжения обычно возникает в кристалле в месте наибольшей концентрации атомов.

2. Наклеп.

Наклеп – это упрочнение металла в процессе его пластической деформации.

Сущность наклепа состоит в том, что при перемещении одних частей кристаллов относительно других по плоскостям скольжения, искажается их форма, они поворачиваются, часть кристаллов может претерпеть излом, что приводит к образованию структуры типа мозаичной. Это приводит к увеличению сопротивления металла деформациям, а следовательно, к повышению его прочности.

3. Полиморфность.

Свойство металла иметь несколько модификаций. Многие металлы, например железо, могут переходить из одной модификации в другую, т.е. могут иметь различные типы кристаллической решетки.

Применение металлов в строительстве

По применению, стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали используются для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, а инструментальные – для изготовления инструмента (применяются высокоуглеродистые стали).

Строительные стали, являются малоуглеродистыми. Среднеуглеродистые стали, в основном применяют в машиностроении.

Строительные и машиностроительные стали относят к группе конструкционных сталей.

По механическим характеристикам конструкционные стали делят на семь марок: СтО, Ст1, Ст2, СТЗ, Ст4, Ст5, Ст6. Основными строительными сталями являются СтЗ и Ст5, из которых изготавливают несущие металлические конструкции и арматуру для железобетона. Из сталей Ст4 и Ст5 изготавливают также болты, шурупы и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединяют в группы А, Б и В. В маркировке эту букву добавляют спереди, а в конце маркировки - способ раскисления: спокойный - сп, полуспокойный - пс, кипящий - кп, например: АСтЗпс, ВСт4пс. По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б - химическому составу, по группе В - по механическим свойствам и химическому составу.

По требованиям ударной вязкости в зависимости от температурных условий эксплуатации и назначения конструкций углеродистые стали разделяют на 6 категорий (номер категории указывают в конце маркировки после обозначения способа раскисления), например, ВСтЗкп2.

Легированные конструкционные, в том числе и строительные стали маркируют следующим образом. Первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют условные обозначения легирующих элементов. Цифра, стоящая за условным обозначением, показывает приблизительное содержание элемента в процентах. Например, сталь 18Гсп в среднем содержит 0,18% углерода и приблизительно 1% марганца. Буквы «сп» обозначают, что сталь спокойная (по способу раскисления). Сталь 20ХГ2С в среднем содержит 0,2% углерода, приблизительно 1% хрома, приблизительно 2% марганца и приблизительно 1% кремния. Если количество легирующих добавок менее 0,3%, то обозначение легирующего элемента не проставляется. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. В строительстве применяют низколегированные стали (по экономическим соображениям): 18Г, 09Г2; 10Г2С1;20ХГ2С и др.

Большое влияние на механические характеристики сталей оказывает содержание углерода. С повышением содержания углерода твердость стали увеличивается, а пластичность уменьшается. Упругость сталей изменяется мало. Модуль упругости изменяется в пределах 2*10⁵ - 2,06-10⁵ Мпа. Предел прочности увеличивается до содержания углерода 0,8-1,0%, а затем снижается.

В строительстве сталь применяют в виде прокатных изделий, имеющих различную форму поперечного сечения – профиль. Используют сталь в строительстве для изготовления несущих конструкций: колонн, балок, ферм. Из низколегированных сталей изготавливают различные виды арматуры периодического профиля (для железобетона). Также сталь используется для изготовления оконных и дверных переплетов.

Основным способом получения стальных изделий являются горячая прокатка. Этим способом получают различные профили, листы, стержни, трубы. Изделия в этом случае называют горячекатанными.

Важной особенностью сталей является способность улучшать свои физико-механические свойства и, в частности, прочность в результате термической и механической обработки.

К термическим видам обработки, применяемым для строительной стали, относят закалку и отпуск. Закалка стали заключается в нагреве ее до высоких температур с последующим охлаждением в воде, масле, расплавленном свинце. Структура и свойства закаленных сталей зависят от скорости охлаждения. Стали, прошедшие закалку, имеют повышенную прочность и твердость, однако при этом имеют склонность к хрупкому разрушению.

Отпуск стали производят с целью уменьшения внутренних напряжений, возникающих при закалке, а также для снижения хрупкости и твердости закаленной стали. Стали при этом нагревают до температуры не выше 600°С и после изотермической выдержки постепенно охлаждают.

Проволоку изготовляют путем вытяжки (волочения). Некоторые виды арматуры периодического профиля изготовляют путем холодного сплющивания. И в том и в другом случае сталь упрочняется за счет наклепа. Арматуру при этом называют холоднотянутой.

Арматуру классифицируют по четырем признакам:

• в зависимости от технологии изготовления различают стержневую и проволочную арматуру. Под стержневой в данной классификации подразумевают арматуру любого диаметра в пределах d=6...40 мм;

• в зависимости от способа последующего упрочнения горячекатаная арматура может быть термически упрочненной, т.е. подвергнутой термической обработке, или упрочненной в холодном состоянии — вытяжкой, волочением

• по форме поверхности арматура бывает периодического профиля и гладкой. Выступы в виде ребер на поверхности стержневой арматуры периодического профиля, рифы или вмятины на поверхности проволочной арматуры значительно улучшают сцепление с бетоном;

• по способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую арматуру, т.е. подвергаемую предварительному натяжению, и ненапрягаемую.

Стержневая горячекатаная арматура в зависимости от ее основных механических характеристик подразделяется на шесть классов с условным обозначением: А-I, А-II, А-III, А-IV, А-V, А-VI. Термическому упрочнению подвергают стержневую арматуру четырех классов; упрочнение в ее обозначении отмечается дополнительным индексом «т»: Ат-III, Ат-IV, Ат-V, Ат-VI. Дополнительной буквой С указывается на возможность стыкования сваркой, буквой К — на повышенную коррозионную стойкость. Подвергнутая вытяжке в холодном состоянии стержневая арматура класса А-III, отмечается дополнительным индексом В.

Каждому классу арматуры соответствуют определенные марки арматурной стали с одинаковыми механическими характеристиками, но различным химическим составом. В обозначении марки стали отражается содержание углерода и легирующих добавок.

Стержневая арматура всех классов имеет периодический профиль за исключением круглой (гладкой) арматуры класса А-I.

Арматурную проволоку диаметром 3...8 мм подразделяют на два класса: Вр-I — обыкновенная арматурная проволока (холоднотянутая, низкоуглеродистая), предназначенная главным образом для изготовления сварных сеток; В-II, Вр-II—высокопрочная арматурная проволока (многократно волоченная, углеродистая), применяемая в качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных элементов. Периодический профиль обозначается дополнительным индексом «р»: Вр-I, Вр-II.

Применение в строительстве алюминиевых сплавов:

1. Чистый алюминий применяют для устройства кровли здания.

2. Из лент алюминия, переплетенных друг с другом, делают бесчердачные покрытия большого пролета. Остается лишь положить теплую кровлю.

3. Из прокатных профилей изготавливают оконные и дверные переплеты.

4. Из проката изготовляют фермы и арки для перекрытия больших пролетов. Выигрыш малый вес.

5. Сборно-разборочные сооружения различного типа.

6. Несущие конструкции верхних этажей зданий в сейсмических районах, а также в зданиях с агрессивными средами.

7. Листы из алюминиевых сплавов применяют для облицовки внутренних и наружных стен.