8. Металлические материалы

8.1. Общие сведения

Металлами называются химические элементы, обладающие высокой электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью, ковкостью, а также характерным металлическим блеском. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.

В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.

Сплавами называются металлические вещества, обладающие характерными свойствами металлов и получаемые при затвердевании жидких расплавов, содержащих два и более химических элемента.

В строительстве широко применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза), меди и цинка (латунь), а также разные алюминиевые сплавы.

Металлы и сплавы делятся на две группы: черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, они содержат в небольших количествах кремний, марганец, серу и некоторые другие химические элементы, которые придают им особые свойства. К чёрным металлам относятся чугуны и стали.

Чугуны – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14%. Различают обыкновенный нелегированный чугун, ферросплав и легированный чугун. Обыкновенный чугун подразделяется на белый (передельный), серый (литейный) и ковкий.

Стали – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые, в состав которых кроме железа и углерода входят в небольших количествах нормальные примеси (кремний, марганец, фосфор, сера) и легированные, в состав которых для улучшения их свойств специально вводят один или несколько легирующих элементов (никель, хром, титан и др.).

По назначению стали делятся на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин и различных строительных конструкций, а инструментальные – преимущественно для изготовления инструментов.

Сталь наряду с бетонами  главнейший конструкционный материал. Широкому использованию в строительстве сталь обязана высоким физико-механическим показателям, технологичности (возможности получения из нее конструкций различными методами) и большими объемами производства.

Из цветных металлов и сплавов наиболее широкое применение в строительстве нашли алюминиевые сплавы (дюралюминий, силумин), а также медные сплавы (латунь, бронза), цинковые и титановые сплавы.

По сравнению с черными, цветные металлы имеют более высокую стоимость, однако они обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и декоративностью.

Металлы и сплавы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10...15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100...200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то, что плотность стали (7850 кг/м³) в 3 раза выше плотности бетона (2500 кг/м³), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов.

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Однако с точки зрения строителя металлы имеют ряд недостатков. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается, и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов.