18 Металлические материалы и изделия

18.1 Общие сведения

Металлы – это вещества, обладающие высокой прочностью, пластичностью, тепло- и электропроводностью, характерным блеском.

Выплавка металлов возникла в глубокой древности. Получение меди датируется 7–6 тыс. до н. э. Во 2 тыс. до н. э. начали применяться изделия из бронзы. В середине 2-го тыс. до н. э. человек начал получать железо. В древнем мире добывали и применяли также золото, серебро, олово, свинец, ртуть.

Широкое применение стали началось с ХIХ века с изобретением бессемеровского, мартеновского и томасовского процессов производства литой стали. С начала ХХ в. начала выпускаться легированная сталь в электропечах. Свойства наиболее важных металлов, применяемых в технике и строительстве, приведены в таблице 18.1

Таблица 18.1 – Основные физико-механические свойства чистых металлов
Металл	Плот­ность, г/см3	Теплоем­кость при 20 °С, Дж/кг.°С	Темпера­тура плав­ления, °С	Твер­дость, Н/мм2	Предел проч­ности, МПа	Относи­тельное удлине­ние, %	Удельное электро­сопротив­ление, Ом м
Алюминий (А1)	2,7	0,88	660	280	90	40	0,026
Ванадий (W)	19,1	0,13	3410	2900	1100	–	0,050
Железо (Fe)	7,86	0,45	1535	800	280	40	0,106
Магний (Mg)	1,74	1,01	651	250	150	12	0,045
Медь (Си)	8,93	0,38	1083	350	220	60	0,017
Никель (Ni)	8,8	0,43	1452	600	450	40	0,072
Олово (Sn)	7,3	0,23	232	50	20	40	0,015
Свинец (РЬ)	11,34	0,12	327	50	20	50	0,188
Цинк (Zn)	7,4	0,39	419	360	80	12	0,057

Более высокие свойства имеют сплавы, состоящие из двух и более хи­мических элементов. Они чаще всего и применяются в технике и строительстве. Сплавы могут находиться между собой в одном из трех видов связи: химической, твердых растворов и механической смеси.

Металлы подразделяются на две группы: черные и цветные. К черным относят металлы и сплавы, в которых основным компонентом является же­лезо. К цветным относят металлы и сплавы, в которых основным компонен­том является не железо, а другие элементы: алюминий, медь, цинк, магний и пр.

В строительстве чаще всего применяются черные металлы: чугун и сталь. Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода бо­лее 2,14 %. Сталь – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода не более 2,14 %.

При наличии углерода до 0,25 % сталь называется низкоуглеродистой, при содержании его от 0,25 до 0,6 % – среднеуглеродистой и при содержа­нии углерода более 0,6 % – высокоуглеродистой. С повышением содержа­ния углерода уменьшается пластичность стали, повышается хрупкость.

В строительстве для конструкций, подвергающихся динамическим на­грузкам, чаще всего применяют низкоуглеродистые стали. Из них строят мосты, фермы, резервуары, трубопроводы.

Для улучшения свойств чугунов и сталей в их состав вводят легирую­щие добавки: марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь и др. При содержании легирующих добавок до 2,5 % стали называют низколегиро­ванными, при 2,5–10 % – среднелегированными и более 10 % – высоколе­гированными. Легирующие вещества повышают коррозионную стойкость, ковкость, упругость черных металлов.

В строительстве применяются в основном низколегированные стали.

Цветные металлы разделяют на легкие и тяжелые. Легкие имеют плот­ность менее 3,5 г/см³. Основными компонентами легких металлов являются алюминий и магний. Например, дуралюминий представляет собой сплав алюминия с медью, магнием, кремнием и марганцем. В тяжелых металлах основным компонентом является медь, олово, цинк, свинец. В строительст­ве часто применяется бронза (сплав меди с оловом) и латунь (сплав меди с цинком).