Тема 6. Металлические материалы и изделия

6.1. Металлы и их классификация

Металлы — относительно новый материал, применяемый в строительной технике, по сравнению с древесиной, камнем, керамикой.

Металлами называют вещества, обладающие металлическим блеском, высокой прочностью, пластичностью, электро- и теплопро­водностью, ковкостью, свариваемостью. Такие признаки металлов обусловлены их кристаллическим строением и электронными меж­атомными связями.

Кроме чистых металлов в технике чаще применяют металличе­ские сплавы.

Сплавы металлов (или металлические сплавы) — это твердые системы, полученные сплавлением нескольких металлов.

В настоящее время в технике используют более 10 тыс. сплавов.

Свойства сплавов обычно резко отличаются от свойств чистых металлов и их можно регулировать.

Металлы и сплавы будем называть единым термином «металлы».

Из имеющих практическую ценность для современной техники металлов в земной коре в значительных количествах содержатся: алюминий— 8,8%, железо— 4,65, магний— 2,1, титан— 6,3%. Со­тыми и тысячными долями процента определяются природные запа­сы меди, марганца, хрома, цинка, свинца, никеля и других ценных металлов.

Металл — один из самых распространенных материалов во всех отраслях промышленности, в том числе и в строительстве. Производ­ство металлов в значительной степени определят уровень техниче­ского прогресса в любой стране. Применение их в строительстве разнообразно. Из металла строят каркасы, мосты, фермы, балки перекрытий, резервуары, изготовляют трубы, арматуру для железобе­тона, водопроводную, отопительную и вентиляционную арматуру, кровельную сталь, металлочерепицу и профнастил, различные ме­таллические изделия, заклепки, болты, гвозди и др.

Широкому использованию металлов в строительстве способствует ряд ценных технических свойств: высокая прочность, пластичность, технологичность — способность обработки давлением, резанием, сва­риванием. Вместе с тем металлы имеют существенные недостатки: при действии различных газов и влаги сильно коррозируют, действие „ высоких температур вызывает значительные деформации.

В настоящее время широко используются алюминиевые сплавы, отличающиеся богатой пластикой, малой плотностью, сравнительно высо­кой прочностью, коррозионной стойкостью и другими ценными свойствами.

Современная техника позволяет окрашивать металлы в любой цвет, придавать различную фактуру, что позволяет использовать ме­таллические изделия как в городских ансамблях, мемориалах, внешней отделке зданий, так и в интерьерах (чеканки, светильники, бра, подвес­ные потолки, скульптурные панно, дверная и оконная арматура и т.д.

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

Черные металлы — это сплав железа с углеродом. Кроме того, черные металлы могут содержать в небольшом количестве марганец, серу, кремний, фосфор и другие химические элементы. Для улучше­ния свойств черных металлов к ним добавляют легирующие элементы (улучшающие) — медь, хром, никель и др.

В зависимости от содержания в черных металлах углерода их подразделяют на чугун и сталь; на их долю приходится около 95% ме­таллопродукции мирового производства.

Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором углерода более 2% (2...4,3%), содержащий постоянные примеси кремния, марганца, фосфора и серы. По назначению чугуны подразделяют на литейные, передельные и специальные (ферросплавы).

Литейный чугун является конструкционным материалом, из него изготовляют отливки различных строительных деталей.

Передельный чугун — промежуточный продукт, используемый для переработки в сталь.

Специальные чугуны с более высокими механическими свойст­вами применяют для изготовления чугунного литья специального назначения.

В зависимости от содержания примесей и формы, в которой уг­лерод находится в чугуне, различают белый (передельный) и серый (литейный) чугуны. Эти названия соответствуют цвету чугуна.

В белом чугуне углерод химически связан с железом (карбид же­леза — цементит РезС). Белый чугун имеет высокую твердость, весьма хрупкий.

В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде графита (мелкий и хрупкий компонент). Серый чугун в расплавленном состоянии хорошо «течет», заполняет формы, дает малую усадку при затвердевании, легко поддается механической обработке.

Разновидность серого чугуна — модифицированный. Его полу­чают путем введения в жидкий сплав серого чугуна модификаторов. Этот чугун обладает высокими механическими свойствами.

При длительном отжиге белого чугуна получают ковкий чугун. В отличие от серых ковкие чугуны более прочные и пластичные, лег­че обрабатываются.

Маркировка чугунов. Серый и модифицированный чугуны мар­кируют буквами СЧ, например СЧ 120-280. Первая цифра марки по­казывает, предел прочности при растяжении (МПа), вторая — предел прочности при изгибе (МПа).

Сталь — железоуглеродистый сплав, в котором углерода менее 2%. От хрупкого чугуна сталь отличается пластичностью и упругостью.

По способу производства стали подразделяют на конверторные, мартеновские и электростали, по химическому составу их делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали содержат примеси серы и фосфора и мар­ганца (0,25...0,9%). Марганец повышает прочность стали, не изменяя ее пластичности. Кремний (0,35%) не оказывает существенного влия­ния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредными примеся­ми; фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), его содержание не должно превышать 0,05%; сера (не более 0,07%) вызывает краснолом­кость, снижает прочность и коррозионную стойкость.

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

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качест­венные конструкционные (для ответственных строительных конст­рукций) и инструментальные (для изготовления деталей машин).

Сталь обыкновенного качества, в зависимости от ее свойств, де­лят на три группы А, Б и В. Углеродистую сталь, полученную раз­личными способами, разделяют на спокойную (СП), полуспокойную (ПС) и кипящую (КП).

Легированные стали — стали, в состав которых входят леги­рующие элементы: хром, никель, вольфрам, титан, медь. Легирующие элементы значительно улучшают свойства сталей: повышается меха­ническая прочность, закаливаемость, коррозионная стойкость.

Марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость; медь — стойкость к атмосферной коррозии; никель — вязкость без снижения прочности.

По суммарному содержанию добавок стали разделяют на низ­колегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5... 10%) и высоко­легированные (более 10%). В строительстве чаще используют низко­легированные стали.

Маркировка сталей. Стали для строительных конструкций маркируют условными обозначениями. Марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные конструкционные стали маркируют двузначными цифрами, указывающими на содержание углерода в сотых долях процента (сталь 15— углерода 0,15%; сталь 40 — углерода 0,40%). Например, СтЗкп — сталь обыкновенного качества группы А, марка 3, кипящая; Ст5пс — сталь обыкновенного качества группы А, марка 5, полустойкая.

В обозначение низколегированных сталей входят буквы и циф­ры. Буквы указывают наличие в стали легирующих добавок, циф­ры — их среднее содержание в процентах. Предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Каждый легирующий элемент: обозначается определенной бук­вой: кремний — С; марганец — Г; хром — X; никель — Н; вольф­рам — В; кобальт — К; медь — Д. Если после легирующего элемента нет цифры, то это означает, что содержание легирующего элемента не превышает 1,0%.

Например, сталь кремнемарганцевая 25Г2С содержит углерода 0,25%, марганца 2%, кремния до 1%; сталь хромокремнемарганцевая 14 ХГС содержит углерода 0,14%, хрома, марганца и кремния до 1%. При маркировке высококачественной легированной стали (с низким содержанием серы и фосфора) в конце ставится буква А, особо высо­кокачественной — буква Ш.

Например, 30 ХМА — молибден-хромовая сталь высокого каче­ства содержит 0,3% углерода, до 1% хрома и молибдена.

В табл. 6.1 приведены механические свойства углеродистой стали.

Таблица 1

Цветные металлы. Подразделяются на легкие плотностью до 5 г/см³ и тяжелые плотностью свыше 5 г/см³. В чистом виде цветные металлы практически не используют, чаще применяют их сплавы.

Легкие металлы — это алюминий, магний и их сплавы. Наи­большее распространение получили алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы типа дюралюминия и силумин.

Тяжелые металлы — медь и ее сплавы, цинк, свинец. Среди тяжелых сплавов применяют бронзу (сплав меди с оловом) и латунь (сплав меди с цинком).