Общие сведения о металлах и сплавах
Металл в качестве строительного материала человек стал использовать еще в древние времена (первые элементы из железа датируются периодом до нашей эры). Высокая прочность, пластичность, способность к обработке, эстетические характеристики металлов способствовали их широкому вовлечению в строительство. Кроме уникальных свойств высоким объемам использования способствовала распространённость металлов в природе их доступность, а также рентабельность их добычи и производства.
Металлам принадлежит ведущая роль в современном строительстве. Они становятся незаменимы когда необходимо снизить массу несущих элементов. Их часто используют для создания протяженных несущих конструкций. Они эффективно используются в мобильных домах, сборно-разборных сооружениях. Наконец, металлы применяют для создания особых, с эстетической точки зрения, архитектурных форм (открытая каркасная структура).
Следует отметить и технологические преимущества работы с металлами. Как уже говорилось выше, металлы хорошо обрабатываются (режутся, свариваются, сверлятся и др.). Благодаря этому повышается производительность работ. Как правило, монтаж металлических конструкций происходит на много быстрее и проще, чем железобетонных, так как для их производства не требуется особых условий (температура, защита от осадков и тп).
Все это обуславливает высокие объемы использования металлов в современном строительстве.
В настоящее время в большей степени применяют сплавы железа (чугуна и стали), алюминия и меди. Их можно назвать основными строительными металлами. Сталь и алюминий являются важнейшим конструкционным материалом современного строительства и применяются для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, а также как декоративно-отделочный материал.
Основы производства чугуна и стали.
Сплавы Fe с С, содержащие до 2.14 % называют сталью, содержащие больше 2.14 % С – чугуном.
Сырьем для получения черных металлов служат руды железа, марганца, хрома. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным
веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже – из доломита или известняка. Виды:
Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановимость железа из руды хорошая.
Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов (25- 50%).
Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли (30-37 %). Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.
Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м. Чугун получают в ходе процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом, при высокой температуре. (Кокс каменноугольный — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый коксованием каменного угля. Коксование это переработка угля без доступа кислорода с целью его отчистки от летучих примесей. Осуществляется при Т= 900-10500 С в течение 10-12 ч). Кокс, сгорая, образует углекислый газ, при прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по схеме Fe2O3 →Fe3O4 → FeO → Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи железо, плавится в соприкосновении с коксом и частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится 93 % железа и 5 % углерода.
Рис. Доменный процесс
Углерод содержится в чугуне в виде химического соединения, называемого цементит Fe3С или в виде механической примеси – свободного графита. Чугун, содержащий углерод в виде цементита имеет белый излом, характеризуясь высокой прочностью и твердостью, пониженным содержанием Si. он мало пригоден для литейных целей и в основном перерабатывается в сталь. Данный чугун называют белым или предельным чугуном.
Чугун, содержащий углерод в виде свободного графита имеет серый излом, крупнозернистое строение и повышенное содержание Si. Благодаря наличию свободного углерода он обладает высокими литейными свойствами и легко обрабатывается инструментом. Он применяется в литейных целях и называется литейным.
В зависимости от формы графита и условий его образования различают серый, высокопрочный и ковкий чугун. Высокопрочный чугун получают при введении в состав серого чугуна при его выплавке 0,03-0,7 % магния. Ковкий чугун получают длительным нагревом белого чугуна до полного распада ледобурита, аустенита и цементита и образования феррита и графита.
Таблица 6
Классификация чугуна в зависимости от формы графита
| Вид чугуна | Форма графита | Обозначение марки |
| Серый | Пластинки | СЧ10, СЧ15, СЧ18… |
| Высокопрочный | Шаровидная | ВЧ35-22, ВЧ40-15, ВЧ100-2 |
| Ковкий | Хлопьевидная | КЧ30-6*, КЧ33-8… |
* 300 МПа временное сопротивление, 6% относительное удлинение.
В строительстве серые чугуны используют в конструкциях, работающих на статическую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, балки, канализационные трубы и др.). Высокопрочный чугун, обладающий повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промзданий, фундаменты тяжелого оборудования, опоры железнодорожных и автомобильных мостов.
Канализационные трубы из чугуна выпускаются диаметром от 81 до 1048 мм с толщиной стенки от 7,4 до 24,8 мм (класс А). Согласно требованиям и нормам ГОСТ чугунные трубы лучше всего применять в зданиях, где создается нагрузка, существенно превышающая хозяйственно-бытовую, например:
- на предприятиях общественного питания или пищевой промышленности;
- на крупных фабриках-бойнях;
- на мясоперерабатывающих комбинатах;
- на фермах и прочих местах, где содержатся животные;
- в санаториях, где имеется выход минеральных или термальных вод;
- на объектах здравоохранения;
- в образовательных учреждениях;
- в непромышленных лабораториях и т.д.
Чугунные трубы канализационные имеют перед пластиковыми аналогами следующие преимущества:
- высокая прочность;
- хорошая стойкость к износу;
- шумоизоляция;
- пожаробезопасность;
- устойчивость к действию высоких и низких температур;
- низкое значение коэффициента растяжения.
Чугун обладает существенными недостатками – высокой плотностью и хрупкостью, что определяет ограниченность его применения в строительстве. По механической прочности он значительно уступает основному конструкционному металлическому материалу – стали.
Сталь – сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твердость, снижая пластичность и вязкость.
Сталь получают из чугуна путем удаления из нее части углерода и примесей. Существует три способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.
В основе получения стали лежит окислительный процесс, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Окисление примесей осуществляется кислородом, содержащимся в газах и оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород (раскисление), вводят легирующие добавки и получают сталь заданного химического состава.
Конвертерный способ. Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь.
Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы. Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т. Перед заливкой чугуна конвертер поворачивают до горизонтального положения. В конвертер заливают чугун (0,7 – 1,25 % Si; 0,5 – 0,8 % Mn; 3,8 -4,4 % C; <0,065 P; <0,06% S) при температуре 1250 – 1300 оС. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье в течение 10 -15 мин. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо. При достижении необходимой концентрации углерода конвертер возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл выливают в ковш одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.
Общая длительность плавки составляет 20 -30 мин.
Мартеновский способ. В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива (смесь доменного, коксовального и генераторного газа; природный газ; мазут) постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки (известь для удаления фосфора и серы, раскислители и др.) для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.
Продолжительность периодов завалки и плавления 5 – 6 ч.
Электроплавильный способ. В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые электропечи. Дуговые печи имеют емкость 30-80 т. В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 20000 С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу и достигать высокого раскисления и дегазации металла.
Плавка состоит из периодов: 1) заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный период (в который происходит удаление фосфора, водорода, азота за счет кипения ванны); 5) восстановительный период (в который создаются условия для получения низких содержаний кислорода и серы, а также для ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара); 6) выпуск стали.
Классификация стали. По содержанию углерода сталь подразделяется на низкоуглеродистую (С < 0,25 %), среднеуглеродистую (С 0,25 – 0,60 %) и высокоуглеродистую (С 0,6- 2,14 %).
По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:
а) конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и легированными.
б) топочная и котельная сталь – низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению;
в) сталь для железнодорожного транспорта – рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь;
г) подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1% С и 1,5% Cr, предъявляют очень высокие требования по содержанию неметаллических включений;
д) инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она содержит обычно значительное количество углерода, а также в ряде марок – значительное количество легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других.
Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорнопружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и другие.
По степени раскисления (перевод растворенного в металле кислорода в нерастворимое состояние и удаление кислорода из металла) сталь разделяется на спокойную (раскисленную, из которой кислород удален), кипящую (не проводилось раскисление) и полуспокойную (кислород удален из стали частично).
Спокойная, потому что при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться и металл будет бурлить (кипящая).
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд примесей Mn,Si, S, P,O, N, H. При содержании С в стали более 1-2% её твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается.
Кремний (содержится 0.35-0.4 %) повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной деформации – штамповке. Марганец (0.5-0.8 %) повышает прочность и уменьшает хрупкость при высоких температурах.
Сера – повышает хрупкость при высоких температурах, снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Её количество ограничивают 0.035-0.06 %
Фосфор является вредной примесью 0.025-0.08.
Азот повышает порог хладноломкости, уменьшает ударную вязкость и предел выносливости стали.
Особенно вреден водород. Он не только охрупчивает, но и приводит к образованию трещин.
Свойства стали: плотность стали: 7700—7900 кг/м³, удельная теплоемкость при Т=200 С 462 Дж/(кг·°C); Температура плавления 1450-1520 0 С; коэффициент теплопроводности 15,5 – 54,5 Вт/м К (в зависимости от состава).
Основными способами модифицирования структуры и свойств стали:
- введение в расплавленный металл веществ, образующих тугоплавкие соединения (карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AIN, оксиды – (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3), являющиеся центрами кристаллизации;
- введение легирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решеток феррита и аустенита, замедляющих диффузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций;
- термическая и термомеханическая обработка стали.
Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т.е. такую сталь, в составе которой находятся специальные примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.
По содержанию легирующей добавки сталь разделяется на низколегированную (< 5 %), среднелегированную (5-10 %) и высоколегированную (>10 %).
Легирующие элементы вводят в конструкционные стали Сr 0,8–1,1 %; Ni 0,5-4,5 %; Si 0,5-1,2 %; Mn 0,8-1,8 %; W 0,5 -1,2 %; Mo 0,15-0,4 % и др.
Si, Mn – повышает твердость, прочность, понижает пластичность.
Сr – повышает прочность, твердость и текучесть, улучшает коррозионную стойкость.
В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента. Отсутствие цифр означает, что содержание не превышает 1-1,5 %.
Обозначение элементов в марках стали: А –азото; Б –ниобий; В – вольфрам; Г –марганец; Д – медь; Х –хром; С – кремний; П – фосфор; М – молибден, Н –никель.
Содержание углерода в стали указывают двухзначными цифрами, приводимыми в начале марки в сотовых долях процента.
Пример: 12ХН3А
0,12 С; 1-1,5 Сr; 3% Ni;1 % N.
Буква А обозначает повышенное качество стали, особую чистоту.
Обработка стали. Резко изменяют свойства стали при неизменном химическом составе термическая обработка: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Для устранения структурной неоднородности, измельчения зерна, уменьшения твердости, повышения вязкости, улучшения обрабатываемости, устранения внутренних напряжений применяют отжиг. Отжиг заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующим медленном охлаждении. Охлаждение ведется вместе с печью.
Нормализация отличается от отжига тем, что после нагрева стали и необходимой выдержки охлаждение ведут не в печи, а на воздухе. Нормализация дает более твердую и прочную сталь, чем отжиг. Нормализация – это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.
Закалка стали заключается в нагреве её до температуры выше критической, выдержке при этой температуры и последующем быстром охлаждении в воде, масле и другой среде. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Охлаждение стали может происходить в одной среде, в двух средах, ступенчатая и изотермическая.
Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.
Отпуск стали состоит в её нагреве в закаленном состоянии жо температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении быстром или медленном. Целью отпуска является повышение вязкости, уменьшение внутренних напряжений и хрупкости стали, повышение пластичности при некотором снижении прочности. То есть смягчение действия закалки. Закалки и отпуску обычно подвергают инструментальную сталь и детали инструмента.
Значительно изменяется качество стали в результате химико-термической обработки, цель которой является получение поверхностного слоя, обладающего повышенной твердостью, износоустойчивостью, коррозионной стойкостью. Достигается это:
Цементация заключается в насыщении поверхностного слоя стали при температуре 850-9000 С углеродом с целью получения после закалки твердой поверхности и вязкой сердцевины.
Азотирование состоит в поглощении поверхностным слоем стали азота для приобретения высокой твердости.
Цианирование – насыщение одновременно углеродом и азотом, чем достигается повышение твердости, износоустойчивости и режущих свойств.
В современном строительстве стальные конструкции используются в качестве несущих конструкций, для высотных жилых зданий, промышленных предприятий, а также при строительстве мостов, телевизионных башен и др. Чаще всего стальные конструкции воспринимают изгибающие и растягивающие усилия, реже сжимающие. Наиболее рационально применение стальных конструкций для перекрытия больших пролетов в зданиях (цеха, дворцы спорта, зрительные залы, торговые центры и тп), для каркасов высотных зданий и промышленных цехов с тяжелым крановым хозяйством.
Стальные конструкции обычно выполняют из прокатных элементов различного профиля (рис). В строительстве чаще всего применяют двутавровые балки, швеллеры, уголки.
Рис. Виды строительных прокатных профилей:
1- бломс; 2 – квадратный с закругленными углами; 3- квадратный; 4- круглый; 5- полосовой; 6- треугольник; 7- овальный; 8- полукруглый; 9 –сегментовый; 10 – ромбовидный; 11- уголок неравнополочный; 12 – уголок равнополочный; 13 – швеллер; 14- двутавр; 15- тавр; 16 – рельсовый; 17 – зеговый; 18 –колонный.
По назначению стальные конструкции подразделяются на колонны, прогоны и фермы. Колонны бывают сплошными, состоящими из одного или нескольких профилей, или решетчатыми, состоящими из двух или четырёх ветвей. соединенных между собой решеткой. Колонна воспринимает сжимающую нагрузку.
Прогоны (балки), как правило, изготавливают из двутавровых балок.
Фермы – плоские решетчатые конструкции, перекрывающие весь пролет здания (длина ферм от 18 до 36 м и выше). Их изготавливают из уголковой стали с креплением сборочных единиц листовой сталью.
Номенклатура стальных материалов включает различные профили и листы, тросы, канаты, черепицу, декоративно-художественные изделия. Листовую сталь выпускают толщиной до 6 мм; тонколистовую кровельную и оцинкованную сталь – толщиной 0,4–0,8 мм. Листовая сталь может изготовляться плоской или с профилями разнообразной формы (закругленной, синусообразной, трапециевидной). Листы с профилем высотой до 20 мм применяют, как правило, для подвесных потолков, устройства стен, заборов. Листы с профилем большей высоты используются в качестве конструктивных элементов, в том числе с профилем до 120 мм - в многоэтажном строительстве.
Большое количество стали используется для изготовления строительных стальных конструкций – крупноразмерных элементов зданий и сооружений. Стальные конструкции изготовляют из стального проката, соединяемого сваркой, заклепками и болтами. Стальные конструкции эффективны в эксплуатации, обладают небольшой массой и габаритами по сравнению с каменными и железобетонными конструкциями.
Отдельно следует сказать об арматуре. Арматурой в строительстве называются стальные стержни различного сечения и формы, воспринимающие растягивающие напряжения, возникающие в железобетонных элементах от внешних нагрузок и собственного веса конструкций. Арматура - металлические стержни и проволока периодического профиля и гладкие, используемые при изготовлении железобетонных конструкций.
Стержневая арматура получается путем проката на металлургических заводах при температуре 10000 С. Прокатка это способ обработки металлов, состоящий в обжатии их между двумя вращающимися валками прокатного стана. При прокатке заготовка подвергается пластической деформации сжатия, благодаря чему возникает более плотная и мелкозернистая структура. Таким образом, прокатка это не только изменение формы металла, но и изменение его свойств.
Проволочная арматура получается холодной протяжкой прокатных стержней через систему последовательно уменьшающихся отверстий-фильеров. В результате многократной протяжки уменьшается диаметр стержня и увеличивается его длина. При этом изменяется кристаллическая структура стали, и значительно повышается ее прочность на разрыв.
Если арматура была подвергнута предварительному натяжению, то её называют напрягаемой. Натяжение служит для увеличения прочности железобетонной конструкции путём предотвращения образования трещин, уменьшения прогибов и снижения собственной массы конструкции — поскольку по весу требуется значительно меньше арматуры.
В железобетонных изделиях, в основном, используются арматурные изделия, которые представляют собой соединённые между собой стержни арматурной стали. Основные способы соединения стержней — это электросварка, вязка проволокой. Вместо вязки проволокой используют специальные арматурные фиксаторы, изготовленные из пружинной стали.
Основные виды арматурных изделий:
плоские арматурные решётки (сетки);
пространственные арматурные каркасы.
Цветные металлы
К цветным металлам относятся все металлы, за исключением железа. Само название «цветной метал» носит условный характер, так как лишь медь имеет золотисто-желтый цвет, все же остальные цветные металлы отличаются лишь оттенками серебристого или красного цвета. Цветные металлы обладают хорошей электропроводностью, антикоррозионностью, сравнительной легкостью обработки, пластичностью и др.
Цветные металлы применяются главным образом в виде сплавов, так как в чистом виде они обладают малой прочностью. Наибольшее распространение в промышленности получили сплавы на основе меди, алюминия.
Медь является наиболее ценным техническим материалом. Она сплавляется со многими металлами, хорошо проводит электричество и тепло, уступая в этом отношении только серебру. Ее используют для изготовления электрических проводов, деталей электрооборудования и т. д.
В значительной части медь используется для получения сплавов на медной основе: латуни, бронзы и др. Эти сплавы обычно прочнее меди. Они приобретают другие полезные свойства, поэтому ид широко применяют в технике.
Латунью называется сплав меди с цинком. Содержание цинка в сплаве может колебаться от 4 до 45%. Чем больше цинка в латуни, тем выше ее механическая прочность. В состав латуни кроме меди и цинка могут входить алюминий, никель, железо, марганец, олово и кремний. Такой сплав называется специальной латунью. Она имеет повышенную коррозионную стойкость, лучшие технологические и механические свойства.
Маркируется латунь следующим образом: буква Л означает название сплава — латунь, следующие за ней цифры указывают содержание меди в сплаве в процентах. Например, маркой Л63 обозначается латунь, содержащая 63% меди. Легирующие элементы специальных латуней обозначают: А — алюминий, Мц — марганец, К — кремний, С — свинец, О —- олово, Н — никель, Ж — железо. В марках специальных латуней первые две цифры, стоящие за буквами, указывают среднее содержание меди в процентах, последующие цифры — содержание других элементов; остальное (до 100%) составляет цинк. Например, марка ЛМцЖ52-4-1 обозначает специальную латунь, содержащую около 52% меди, 4% марганца, 1% железа, остальное — цинк.
Из латуни изготавливают трубы, листы, проволоку.
Бронзой называется сплав меди с оловом, алюминием, никелем и другими элементами. Бронза обладает высокими антифрикционными и механическими свойствами, а также хорошей коррозионной стойкостью. Она идет на изготовление арматуры и деталей механизмов, работающих во влажной атмосфере и в других агрессивных средах.
Бронзу маркируют буквами Бр с буквенными обозначениями элементов, входящих в состав сплава, и числовыми показателями их содержания. Например, БрОФ6,5-0,15—бронза, содержащая 6—7% олова и около 0,15% фосфора, остальное— медь. БрОЦС5-6-5, содержащая 5 % олова, 6 % цинка, 5 % Рb, остальное медь. Используется для ремонта оборудования.
БрАЖ 9-4 - 9 % алюминий, 4% железа, остальное медь. Применяют для отливки втулок и крупных шестерен.
Алюминий обладает низкой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью (но несколько худшей, чем медь). Высокая пластичность алюминия позволяет изготавливать из него изделия различного профиля. Недостаток алюминия низкая прочность.
Повышение прочности достигается при добавлении к нему других металлов: медь, марганец, цинк (легирование). Алюминиевые сплавы широко применяются для изготовления проката в виде профилей: уголков, швеллеров, труб круглого и прямоугольного сечения, а также изготовления заклепок и болтов.
Среди них наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием — силумины. Они обладают высокой жидкотекучестью, достаточно высокой прочностью, сопротивляются коррозии, хорошо обрабатываются резанием. Их используют для изготовления корпусов и крышек двигателей, поршней и т.д. Маркируются литейные алюминиевые сплавы буквами АЛ и кодирующей цифрой, обозначающей химический состав сплава. Например, в сплаве АЛ2 — 10—12% кремния.
Другим алюминиевым сплавом является дюралюминий, основу которого составляют алюминий, медь и магний. Дюралюминий, как и другие деформируемые сплавы, применяют для получения листов, проволоки, ленты, фасонных профилей и различных деталей ковкой, штамповкой, прессованием. Его Маркируют буквой Д и порядковым номером. Например, Д1, Д16, Д18 – цифра содержание меди в %.
К достоинствам алюминиевых сплавов относятся: малая плотность (в три раза меньшая, чем у стали) и высокие показатели прочности; повышенная по сравнению со сталью стойкость к атмосферной коррозии и в некоторых агрессивных средах; возможность получения профилей необходимой формы (прессованием и холодной гибкой из листового проката); хороший внешний вид; возможность сочетания с многими другими металлами; отсутствие искрообразования при ударе.
К недостаткам алюминиевых сплавов относят: низкий модуль упругости; высокий коэффициент термического расширения (23х106); сложность применения сварки. Из-за низкого модуля упругости ограничивается применение алюминиевых сплавов в конструкциях повышенной жесткости.
Алюминиевые сплавы наибольшее применение находят в ограждающих конструкциях. Более 70 % всего объема производства конструкций из алюминиевых сплавов расходуется на ограждающие конструкции стен, кровли, переплетов, дверей, подвесных потолков, отделки интерьеров, фасадов и других архитектурных элементов. Применение алюминиевых сплавов для этих конструкций уменьшает массу, повышает долговечность, сокращает эксплуатационные расходы и улучшает технические и архитектурные характеристики зданий.
Следует отметить, что стоимость алюминиевых строительных конструкций в 7–8 раз дороже стальных.
Производство металлических изделий и конструкций.
При изготовлении металлоконструкций расплавленный чугун или сталь разливают по формам, а затем слитки подвергают обработке давлением или литьем, в результате которой получают изделия требуемых форм, размеров, свойств. Затем изделия соединяют в конструкции при помощи сварки, клепки и болтов.
Применяют следующие способы обработки металлов давлением: прокатка, ковка, волочение, штамповка и прессование.
Прокатка. Сущность данного метода заключается в обжатии металла между двумя вращающимися валками, при этом заготовка уменьшается в сечении, вытягивается и приобретает форму, соответствующую валкам. Обжатие происходит в несколько приемов путем пропуска слитка через ряд валков с уменьшающимся зазором. Прокатывают металл в холодном и горячем (большинство случаев) состоянии. Данным способом получают балки, рельсы, листовую сталь, арматуру.
Ковка – процесс деформации металла под действием повторяющихся ударов молотка или пресса. Ковка может быть свободная, когда металл при ударе молота имеет возможность свободно растекаться во все стороны и штампованная, когда металл, растекаясь, заполняет формы штампов, а избыток его срезается. Ковка применяется для изготовления болтов, скоб, анкеров.
Волочение заключается в протягивании металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате этого металл обжимается, а профиль его соответствует форме отверстия. В качестве заготовки используют предварительно прокатанный или прессованный пруток или трубу. Способом волочения получают тонкостенные изделия, а также прутки. При волочении происходит упрочнение металла в результате пластической деформации, повышение твердости стали и снижение её пластичности.
Сварка металлов. Существует два вида сварки: пластическая и сварка плавлением. К первой, относится электрическая сварка сопротивлением, термитная сварка. Ко второй, относится электродуговая сварка, газовая сварка, газодуговая сварка.
В строительстве в основном применяется электрическая сварка сопротивлением, электродуговая сварка, реже газовая и термитная.
Газовая сварка заключается в расплавлении металла в месте стыка деталей теплом, получаемым при горении газа. Газовая сварка применяется для соединения тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и чугуна. Для заполнения шва между сварными деталями применяют присадочный материал в виде проволоки, имеющий состав, близкий к свариваемым материалам. Данный тип сварки имеет ограниченное применение из-за высокой стоимости по сравнению с электросваркой.
Электрическая сварка сопротивлением (контактная) – это процесс соединения металлических деталей в результате местного сплавления их кромок теплом, образующимся при прохождении тока через свариваемые детали. При этом детали сильно прижимают друг к другу. Контактная сварка может быть:
- стыковая – применяется для продольного соединения деталей арматуры: наращивания стержней, приварки к торцу их анкеров.
- точечная сварка применяется для соединения деталей внахлестку или в месте их пересечения. При данном типе сварки пересекающиеся стержни зажимаются двумя электродами и включают электрический ток. Так как электроды обладают более высокой электропроводностью, наибольшее сопротивление порождению тока окажет место пересечения стержней, в результате чего произойдет разогрев металла деталей и их сварка. Благодаря применению тока большой силы сварка происходит в течение доли секунды. Применяют для изготовления сеток и каркаса для арматуры.
- роликовая сварка применяется для соединения листового металла. От точечной сварки она отличается тем, что стержневые электроды в ней заменены вращающимися роликами, которые захватывают свариваемые листы и создают непрерывный шов. При прохождении тока металл под роликами нагревается и сваривается давлением роликов.
При электродуговой сварке один провод от источника тока присоединяется к свариваемой детали, а второй – к электроду. При замыкании цепи между концом электрода и деталью возникает электрическая дуга, в зоне которой температура достигает 6000 С, в результате чего плавятся кромки детали и электрод. Металл электрода заполняет зазор между деталями и образует после затвердевания сварной шов.
Электрод представляет собой металлический стержень диаметром 2-12 мм, покрытый специальными обмазками из мела, кремния, каолина, графита. Связующим в обмазке является жидкой стекло. Обмазка повышает устойчивость горения дуги и образует шлаковую защиту шва, предохраняя расплавленный металл от окисления в процессе сварки.
К дефектам сварки относят непровар, получаемый от неправильного режима сварки; пористость, образовавшуюся от насыщения металла газами, окислами и шлаками; трещины в наплавленном и основном металле, возникающие от неправильного ведения сварки; пережог, получаемый от окисления при слишком большой дуге (при дуговой сварке) и при избытке кислорода (при газовой сварке).