Строительные материалы

ТРООСТИТ образуется при менее быстром охлаждении стали, распад аустенита происходит полнее, и структура стали представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита. Углерод, выделяющийся из решетки б -Fe, образует цементит Fe₃C с величиной зерна 10^-10 ...10^-9 м.

СОРБИТ образуется при средних скоростях охлаждения. Структура стали представляет собой уже грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерен цементита 10^-8 ..10^-7 м).

ПЕРЛИТ образуется при очень медленном охлаждении в результате полного распада аустенита. Перлит - это равновесная структура стали, представляющая собой грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерна цементита 10^-6м).

При переходе от мартенсита к перлиту происходит уменьшение твердости и хрупкости, повышение прочности и пластичности.

Виды термической обработки стали

ЗАКАЛКА - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и быстрое охлаждение. При охлаждении в холодной воде получается мартенсит, в горячей воде - троостит, в расплавленном свинце - сорбит. Цель - понижение хрупкости и повышение прочности стали.

ОТПУСК - нагрев стали до 600?С, выдержка и охлаждение. Цель - понижение внутренних напряжений закаленной на мартенсит стали, снижение ее твердости и хрупкости.

ОТЖИГ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение вместе с печью. Структура металла становится мелкокристаллическая, возрастает пластичность. Цель - понижение твердости стали для повышения обрабатываемости режущим инструментом.

НОРМАЛИЗАЦИЯ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение на воздухе. Цель - получение стали с высокой пластичностью и ударной вязкостью при повышенной прочности.

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА - горячая или теплая деформация изделия нагретого до состояния аустенита с последующим регламентированным охлаждением. Цель - получение закаленной на мартенсит стали с мелкодисперсной структурой повышенной плотности, которая обуславливает высокие механические свойства металла.

Степень достижения цели термической обработки определяется температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и режимом охлаждения.

Химико-термическая обработка стали.

Химико-термическая обработка стали проводится с целью упрочения ее поверхностных слоев (повышения твердости, износостойкости и т.п.). Она заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующей термообработке.

ЦЕМЕНТАЦИЯ - поверхностное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.

АЗОТИРОВАНИЕ - поверхностное насыщение стали азотом с целью получения очень высокой твердости, повышенной коррозионной стойкости.

ЦИАНИРОВАНИЕ - одновременное насыщение поверхности металла азотом и углеродом для повышения износоустойчивости и усталостной прочности.

ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами. Цель - резкое повышение жаростойкости, износоустойчивости, коррозионной стойкости стали.

Применение углеродистых сталей

В строительстве сталь используют для изготовления несущих конструкций, армирования железобетона, устройства кровли, форм железобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла и успешную работу конструкции.

Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуются стали обыкновенного качества группы В следующих марок: ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.

Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп, ВМСт5сп, ВМСт5пс и кислородно-конверторные стали тех же марок.

Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.

Для изготовления болтов и шурупов применяется ст4 и ст5.

Для изготовления осей, валов и других деталей машин применяется ст6.

Легированные стали

Легированные стали - это стали, в состав которых специально вводят один или несколько легирующих элементов для улучшения их физико-механических свойств.

Легирующие элементы делятся на две группы: группу никеля, расширяющую область существования г -Fe - это Ni, Co, Mn, и группу хрома, сужающую область существования г -Fe - это Cr, Al, Zn, Si, W, Ti, Mo.

При большом содержании никеля легированный аустенит сохраняется в сталях до комнатных температур. При большом содержании хрома сталь состоит только из легированного феррита, а г -Fe вообще не образуется.

Классификация легированных сталей

По структуре легированные стали делятся на классы.

ПЕРЛИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают структуру, близкую к равновесной. Это строительные и машиностроительные стали.

АУСТЕНИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают аустенитную структуру. Это жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные и нержавеющие стали.

ФЕРРИТНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют ферритную структуру при любой скорости охлаждения. Они не воспринимают закалку. Это жаропрочные, жаростойкие и специальные магнитные стали.

КАРБИДНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют твердость и режущую способность при повышенных температурах.

По назначению легированные стали делятся на

- конструкционные (строительные и машиностроительные),

- инструментальные (изготовление режущего инструмента),

- стали с особыми физико-механическими свойствами.

По содержанию легирующих элементов стали делятся на

- низколегированные (легирующих элементов до 2,5%),

- среднелегированные (легирующих элементов 2,5...10%),

- высоколегированные (легирующих элементов более 10%).

Маркировка легированных сталей

Марка легированных сталей содержит информацию о среднем содержании входящих в нее легирующих элементах в процентах и среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например марка легированной стали 35ХН3М означает, что сталь содержит 0,35% углерода, по 1% хрома (Х) и молибдена (М) и 3% никеля (Н).

Обозначение легирующих элементов: Г - марганец, С - кремний, Д - медь, Х - хром, Н - никель, Ц - циркон, Т - титан, Ю - алюминий и т.д.

Применение легированных сталей

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ обладают по сравнению с обычной углеродистой сталью рядом преимуществ. Их предел текучести превышает на 30% и более предел текучести обычной Ст3.Они высокопластичны, меньше склонны к хладноломкости (критические температуры перехода низколегированных сталей в хрупкое состояние лежат ниже минус 40?С, а у отдельных марок ниже -60?С), хорошо сваривается. Для их сварки не требуется ни предварительного разогрева, ни последующей термической обработки для снижения напряжений. Коррозионная стойкость их в 1,5 раза выше, чем у стали марки Ст3.

Для сварных и клепаных несущих конструкций рекомендуются низколегированные конструкционные стали марок 14Г2, 15ГС, 10Г2С, 10Г2СД и природно-легированные стали марок 10ХСНД и 15ХСНД.

Для обычной арматурной проволоки рекомендуется сталь марок 25Г2С, 35ГС и д.р.

Для предварительно напряженной арматуры - сталь марок 30ХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц и д.р.

ЖАРОСТОЙКИЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ длительное время выдерживают действие высоких температур без образования на них окалины. Легирующие элементы группы хрома образуют тонкие окисные пленки на поверхности стали, защищая основной металл от окисления газами при повышенных температурах. Однако они не

должны испытывать при этом механических нагрузок.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ имеют высокую окалиностойкость и сохраняют, кроме того, свои механические свойства при высоких температурах. Это обычно высоколегированные хромо-никелевые стали.

Цветные металлы и сплавы

АЛЮМИНИЙ - легкий серебристый металл, обладающий малой плотностью - 2700 кг/м³, малой твердостью - НВ = 20, низкой прочностью на растяжение, высокой атмосфероустойчивостью. В строительстве широко применяются сплавы алюминия с легирующими добавками (Mn, Cu, Mg, Si, Fe), повышающими его прочность.

Сплавы алюминия делятся на литейные (силумины) и деформируемые (дюралюмины), идущие на прокатку профилей, листов и т.д. Алюминиевые сплавы приближаются по прочности к основным маркам строительных сталей, но легкие и имеют высокую коррозионную стойкость.

СИЛУМИНЫ - сплавы алюминия с кремнием (до 14%), обладающие высокой прочностью (предел прочности 200 МПа), твердостью НВ = 50...70, при достаточно высокой пластичности. Силумины характеризуются высокими литьевыми качествами.

ДЮРАЛЮМИНЫ - сложные сплавы алюминия с медью, кремнием, марганцем, магнием и др. Предел прочности дюралюминов после термической обработки составляет 400...480 МПа.

Применение дюралюминов особенно эффективно для конструкций большепролетных сооружений, в сборно-разборных конструкциях, в сейсмическом строительстве, в конструкциях, работающих в агрессивных средах. Используется он в виде проката - уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечения.

Из листов алюминиевых сплавов изготавливают трехслойные навесные панели с заполнением пенопластом. Вводя газообразователь, получают высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100...300 кг/м³.

Дюралюмин, как конструкционный материал, имеет низкое значение модуля упругости, прочность его понижается при температурах выше 400?С и повышается при отрицательных температурах, коэффициент линейного расширения примерно в 2 раза выше чем у стали, характеризуется пониженной свариваемостью.

ТИТАН обладает высокой коррозионной стойкостью, меньшей по сравнению со сталью плотностью (4500 кг/м³), высокими прочностными свойствами, повышенной теплостойкостью.

На его основе создаются легкие и прочные конструкции, способные работать при повышенных температурах.

МЕДЬ - металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. При высокой пластичности обладает невысокой прочностью.

Сплавы на основе меди - это латунь, бронза, баббиты.

Латунь - сплав меди и цинка, бронза - сплав меди и олова. Оба эти сплава прочны, обладают высокими антифрикционными свойствами, поэтому их широко применяют для изготовления кранов и вентилей.

Баббиты - сплавы меди, свинца и олова, применяются для изготовления подшипников.

ЦИНК - применяется для кровельных покрытий, карнизов, водосточных труб.

СВИНЕЦ - применяется для особых видов изоляции, для футеровки химических аппаратов.

Коррозия металлов

Различают два вида коррозии - химическую и электрохимическую.

ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ возникает при действии на металл при высоких температурах сухих газов, масел, бензина, керосина, окислителей, кислорода воздуха.

При 200...300?С на стальных изделиях появляется пленка из продуктов коррозии, которая до определенной температуры выполняет роль защитной пленки. Поэтому до 600?С скорость газовой коррозии очень мала, но с ростом температуры защитные действия пленки прекращаются. Чем выше температура, тем быстрее разру-шается пленка и ускоряется коррозия.

Однако легированные стали могут нагреваться без признаков коррозии до более высоких температур.

Алюминий при высоких температурах покрывается тонкой защитной пленкой. которая сохраняется до температуры плавления.

Поэтому добавка алюминия повышает химическую стойкость стали.

Медь защитную пленку образует на воздухе при обычных температурах. Добавка к ней алюминия и бериллия делает ее жаростойкой, сопротивляемость меди к окислению резко повышается.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ возникает при действии на металл растворов кислот и щелочей, в результате чего на корродирующей поверхности металла возникает множество микрогальванических элементов, вырабатывающих электрический ток. При этом металл отдает свои ионы электролиту, а сам постепенно разруша-ется.

Коррозия может быть местной, когда разрушение металла идет на отдельных участках, равномерной - металл одинаково разрушается по всей поверхности и межкристаллитной - разрушение идет уже по границам зерен.

Способы защиты металла от коррозии

1) Покрытие металла различными красками, лаками, эмалями, полимерными материалами.

2) Легирование стали.

3) Воронение - получение на поверхности металла защитного слоя, состоящего из оксидов данного металла.

4) Покрытие металла пленкой из другого металла, менее подверженного коррозии в данных условиях.

Металлические покрытия наносятся горячим и гальваническим методами и металлизацией. Горячий метод - изделие погружают в ванну с расплавленным защитным металлом, температура плавления которого ниже температуры плавления изделия. Гальванический метод - изделие погружают в солевой раствор в качестве катода, а осаждаемый металл служит анодом; при действии постоянного электрического тока на изделии создается тонкий слой защитного покрытия. Металлизация - покрытие поверхности изделия расплавленным металлом, распыляемым сжатым воздухом.

5) Оксидирование - создание на поверхности металла пассивирующей пленки в кислой или щелочной среде в присутствии сильных окислителей (концентрированная азотная кислота, растворы марганцевой и хромовой кислоты), так называемое катодное окисление.

6) Фосфатирование - получение на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца путем погружения металла в горячие растворы кислых фосфатов железа или марганца.

Производство металлических изделий

ПРОКАТКА - обжатие стального слитка, разогретого до температуры 900...1250?С, до требуемой формы и размеров путем пропуска его через ряд валков с уменьшающимся зазором.

Прокаткой получают балки, рельсы, листовую и прутковую сталь, арматуру, трубы. После прокатки изделия подвергают необходимой термической обработке.

КОВКА - процесс деформации металла под действием повторяющихся уларов молота или пресса. Ковка может быть свободной, когда металл под ударами молота растекается свободно, и штампованная, когда металл под ударами молота заполняет формы штампа, а избыток его вытекает в специальную канавку и отрезается.

Штамповка позволяет получить изделия очень точных размеров. Клепка также относится к операциям ковки.

ВОЛОЧЕНИЕ - протягивание металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки, металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме отверстия. Заготовки - это предварительно прокатанный или прессованный пруток или труба.

Волочение проводят в холодном состоянии, изделие получается точных профилей и с гладкой поверхностью.

Волочением изготавливают трубки, круглые, квадратные и шестигранные прутки.

Сварка металлов

Сварку металлов классифицируют по виду используемой энергии на газовую и электрическую, по состоянию металла в зоне сварки на пластическую и сварку плавлением.

Газовая сварка заключается в расплавлении металла в месте стыка деталей теплом, получаемым при горении газа или жидкого топлива в смеси с кислородом.

В качестве горючего газа чаще всего применяется смесь ацетилена и кислорода. Для заполнения шва используют сварную проволоку, близкую по составу металла свариваемым деталям.

Применяют газовую сварку для соединения тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и чугуна.

В строительстве она имеет ограниченное применение из-за высокой стоимости по сравнению с электросваркой.

Электрическая сварка производится за счет тепла, выделяемого электрическим током; она подразделяется на

- электрическую сварку сопротивлением или контактную сварку (стыковую, точечную и роликовую),

- электродуговую сварку,

- газодуговую сварку.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ или контактная сварка - это процесс соединения деталей путем нагрева их до пластического состояния с последующим сдавливанием, которое облегчает взаимное проникновение атомов одного металла в другой.

Контактная сварка - один из производительных видов сварки давлением. Процесс сварки можно легко механизировать и автоматизировать, поэтому ее широко применяют в машиностроении и строительстве.

СТЫКОВАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ заключается в том, что изделие помещают в зажимы машины, прижимают друг к другу, затем включают ток. После нагрева металла в местах контакта происходит сварка.

СТЫКОВАЯ СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ заключается в том, что расплавление металла в местах контакта происходит при непрерывном сближении торцов свариваемых деталей. После полного сближения происходит сварка при их механическом сжатии.

Стыковую сварку используют для продольного соединения деталей арматуры, наращивание стержней, колонн и т.д.

ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА применяется для соединения деталей " внахлестку" или в месте их пересечения; их зажимают между двумя электродами, на которые подается ток большой силы. Сварка происходит за доли секунды.

Применяется она для изготовления сеток и каркасов арматуры железобетона.

РОЛИКОВАЯ СВАРКА применяется для соединения листового металла. От точечной сварки она отличается тем, что стержневые электроды в ней заменены вращающимися роликами, которые захватывают листы и создают непрерывный шов.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА осуществляется следующим образом: один провод от источника тока присоединяется к свариваемой детали, второй - к электроду. При замыкании цепи между концом электрода и деталью возникает электрическая дуга, в зоне которой плавятся кромки детали и электрод.

Металл электрода заполняет зазор между деталями, образуя сварной шов, прочность которого зависит от глубины провара.

В зависимости от природы свариваемых деталей электроды применяются графитовые, металлические, чугунные, алюминиевые и другие. Электроды покрывают специальной обмазкой, которая повышает устойчивость горения дуги и образует шлаковую защиту шва, предохраняя расплавленный металл от окисления в процессе сварки.

Применяется электродуговая сварка для сварки цветных металлов, наплавления металлов, сварки тончайших стальных листов, для сварки чугунов, для сварки конструкций и арматуры.

ГАЗОДУГОВАЯ СВАРКА делится на аргоновую и водородную. В том и другом случае электрическая дуга возбуждается между двумя вольфрамовыми электродами; в первом случае в защитной среде аргона, во втором - водорода.

При газодуговой сварке обеспечивается получения шва высокого качества. Ее применяют для сварки тонкостенных конструкций из легированных и высоколегированных сталей, окалиностойких магниевых и алюминиевых сплавов и сплавов, обладающих высокой антикоррозионной стойкостью.

При любом виде сварки структура металла в зоне сварки меняется в зависимости от температуры и времени охлаждения. Для получения необходимой структуры пользуются последующей термообработкой (закалкой, отпуском, отжигом, нормализацией).

Лучше всего свариваются малоуглеродистые стали (С < 0,2%) и стали с большим содержанием углерода (С > 0,4%), а также чугуны, предварительно подогретые для устранения трещин, возникающих рядом со сварным швом. Наличие примесей ухудшает свариваемость металла.

Газовая резка металлов

Принцип газовой резки заключается в нагреве металла до температуры воспламенения в среде кислорода, сжигании его и выдувании образовавшихся оксидов струей кислорода.

Железо-углеродистые сплавы, содержащие углерода до 0,7 % имеют температуру горения ниже температуры плавления и хорошо режутся. С повышением содержания углерода температура горения приближается к температуре плавления, и сплавы плохо поддаются резке.

Медь и алюминий газовой резке не поддаются, так как у них температура горения выше температуры плавления

Контрольные вопросы

1) Какие кристаллические решетки характерны для металлов?

2) Как формируется структура металла при охлаждении?

3) Какие виды деформации испытывает металл при растяжении?

4) Что представляет собой общая классификация металлов?

5) Какое сырье используется для производства чугунов?

6) Какие виды чугунов вы знаете?

7) Охарактеризуйте основные способы производства стали.

8) Приведите классификацию углеродистых сталей и их маркировку.

9) Поясните на кривой охлаждения чистого железа его аллотропные превращения.

10) Охарактеризуйте основные структурные составляющие железо-углеродистых сплавов.

11) Виды термической обработки стали.

12) Какие углеродистые стали применяются для несущих конструкций зданий и сооружений?

13) Что такое легированные стали и как они классифицируются?

14) Какие легированные стали применяются для несущих конструкций зданий и сооружений?

15) Какие существуют виды коррозии металлов?

16) Как можно защитить металл от коррозии?

17) Что такое дюралюмины и где они применяются?

18) Какие существуют виды электрической сварки и где они применяются?

Размещено на Allbest.ru

...