Свойства металлов и сплавов, их применение в строительстве

Металлы представляют собой кристаллические неорганические материалы, обладающие специфическим металлическим блеском, определенной температурой плавления, электро- и теплопроводностью, свариваемостью и определенной пластичностью. Последнее технологическое свойство, проявляющееся при действии механической нагрузки, широко используют с целью получения изделий определенной формы и размеров. Металлические материалы строительного назначения производят методом проката (листы, профили, балки), экструзией (стержни, проволоку), прессованием (закладные детали).

Контроль основных показателейметаллов и сплавов проводят по пределу прочности на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, удар, твердость в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации в статическом, динамическом или повторно-переменном режимах при нормальной, повышенной и отрицательной температурах. При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделяют исследованию процессов их разрушения при действии агрессивных сред, микроорганизмов, высоких температур и огня.

Интенсивность коррозионного разрушения зависит от химического состава и микроструктуры металла (сплава), концентрации и температуры агрессивной среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозию подразделяют на химическую, под действием газов, высокой температуры и органических жидкостей, электрохимическую при наличии водных растворов, биологическую под действием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Разрушение может проходить как равномерно по всей поверхности, так и неравномерно, которое наиболее опасно. Предохраняют от коррозии за счет повышения однородности структуры и состава металлов (сплавов), введения легирующих добавок, исключения дефектов поверхности и применения специальных методов защиты. К широко используемым относятся: нанесение коррозионностойких металлических покрытий металлизацией, плакированием, гальваническим или горячим способами, применение термохимической обработки изделий и защита лакокрасочными составами.

По отношению к открытому пламени металлы являются несгораемыми материалами, однако резкое повышение температуры и их высокая теплопроводность вызывают размягчение, деформации, растрескивание металлов, что приводит к потере несущей способности. Защитные меры основаны на создании поверхностного теплозащитного слоя из бетона, кирпича, цементно-песчаных или глиняных огнезащитных штукатурок, вспучивающихся красочных составов, гипсосодержащих листов и плит.

Для защиты металлоизделий и конструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе полимерных смол с введением биоцидных добавок.

В строительной практике основной объем составляют железоуглеродистые сплавы – черные металлы, на втором месте цветные сплавы алюминия и значительно меньше соединения меди, цинка и свинца. Железосодержащие сплавы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугун (от 2,14 до 6,67% С) и сталь (до 2% С). Повышенное содержание углерода обеспечивает высокую прочность на сжатие и хрупкость. Чем меньше его количество, тем пластичнее сплав. Поэтому чугун используют в конструкциях, работающих на сжимающие нагрузки (тюбинги в метро, башмаки под колонны), а сталь – на изгибающие и растягивающие (балки, арматура, профильные листы и т.д.).

Чугун получают в доменных печах из железосодержащих руд (красного, бурого и магнитного железняка). В состав чугунов, кроме железа и углерода входят примеси кремния, марганца, фосфора и специальные легирующие добавки (никель, магний, алюминий, кремний), которые придают сплаву высокие механические свойства, обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава, микроструктуры, выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый – передельный чугун, составляющий большую часть выпускаемой металлургической продукции, идет на переработку в сталь. Серый литейный чугун применяют для изготовления фасонного литья строительного профиля (радиаторы, сантехника и архитектурно-художественные изделия).

С целью значительного повышения пластичности железоуглеродистых сплавов чугун в сочетании с рудой, металлоломом (скрапом) переплавляют в сталь. В процессе плавки, которая может проходить в конвертерах, мартеновских или электропечах из чугуна, путем окисления и перевода в шлак, удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Полученную сталь классифицируют по способу производства: мартеновская, конвертерная, электросталь, по химическому составу: углеродистая, легированная, по назначению: конструкционная (строительная, машиностроительная), инструментальная и специального назначения. Углеродистую сталь обыкновенного качества выпускают для строительных целей. Качественную конструкционную – используют в машиностроении и для ответственных строительных конструкций, высококачественную инструментальную – для изготовления режущих инструментов, штампов. В зависимости от гарантируемых механических и технологических характеристик углеродистую сталь обыкновенного качества делят на две группы
(А и Б) и одну подгруппу (В). Для изготовления изделий строительного назначения в основном применяют сталь группы А, которую выпускают следующих марок: Ст О, Ст 1, …, Ст 6. По мере увеличения цифры повышается прочность и снижается пластичность сплава. Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода на малоуглеродистые (до 0,25%), которые хорошо свариваются, пластичны и надежно работают в сварных и клепанных строительных конструкциях, среднеуглеродистые (до 0,55%) – хуже свариваются, более прочные и хрупкие, их применяют для изготовления деталей, работающих при больших нагрузках, высокоуглеродистые (до 0,80) – для изготовления пружин, рессор, зубчатых колес.

С целью повышения коррозионной стойкости, снижения хладоломкости, замедления старения в сталь при получении вводят легирующие добавки (Cr, Mn, Ni, Co, Mo, Si и т.д.). Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению. В зависимости от суммарного содержания добавок выпускают низколегированную сталь (до 2,5%), среднелегированную (от 2,5 до 10%) и высоколегированную (более 10%).

Для производства элементов несущих стальных конструкций и профилей используют низколегированные конструкционные стали, для режущего и измерительного инструмента – инструментальные, для работы
в условиях действия высоких температур, агрессивной среды и т.д. – легированные стали с особыми свойствами.

Преимущества легированных сталей проявляются в большей мере после дополнительной термообработки, общий режим которой включает нагрев изделий до температуры, при которой происходит перекристаллизация сплава в твердом состоянии – вторичная кристаллизация – с сохранением вещественного состава – аллотропия. В зависимости от назначения термообработки (изменение свойств, снятие напряжений) целенаправленно подбирают максимальную температуру нагрева, скорость ее подъема и охлаждения. На практике применяют следующие виды термической обработки металлических изделий: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, термомеханическую и термохимическую.

Отжиг используют для повышения однородности стали, снятия внутренних напряжений. Нормализация позволяет уменьшить напряжения, имеющие место при получении изделий, и повысить пластичность. Применяя закалку в сочетании с отпуском, увеличивают прочность, твердость, с сохранением заданной вязкости. Метод термомеханической обработки (ТМО) предусматривает нагрев поверхностного слоя изделия на заданную глубину, обкатку его роликами, для ориентированного расположения кристаллов и повышения прочности поверхностного слоя, закалку и отпуск. Этот вид обработки позволяет сочетать высокую прочность с пластичностью. Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, прочности, коррозионной стойкости, жаростойкости, износоустойчивости. Используемый режим предусматривает насыщение поверхностного слоя изделия в нагретом состоянии углеродом (цементация), азотом (азотирование) или параллельно азотом и углеродом (цианирование).

Для снятия внутренних напряжений и придания специальных свойств термообработке подвергают и изделия из цветных металлов. Наиболее широкое применение получили сплавы алюминия с магнием, медью, кремнием, благодаря их низкой плотности (2700 кг/м³), высокой электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости, пластичности, хорошей свариваемости, надежности работы при отрицательных температурах, отсутствия магнитных свойств и искрообразования при ударе. Эти материалы используют для получения прессованных холодных и утепленных профилей, тонколистовых изделий для производства сварных и клепанных конструкций (фермы, колонны, сборные каркасы зданий, кровельные и стеновые многослойные панели), подвесных потолков, окон, дверей.

Из сплавов меди в строительстве применяют латунь в виде листов, прутьев, проволоки, труб и бронзу, в качестве архитектурно-художественных изделий и пигмента в красочные составы.

Назначение цинка в строительстве – защита стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, несущих конструкций) от коррозии, свинца, стойкого к коррозии и радиационному излучению, – изготовление специальных труб и защитных экранов.

Применение металлов и сплавов в строительстве представлено
в таблице 3.4.

Таблица 3.4