Лекция 13. Изделия и материалы из металла

металлов. Сплавы.
 
К металлам относят вещества, которые имеют высокие механические свойства

и им характерен специфический (металлический) блеск, значительные электро- и теплопроводность, ковкость. Они хорошо свариваются, работают при высоких и низких температурах. Эти свойства обусловлены наличием в кристаллической решетке электронов, которые способны свободно перемещаться.
Но, металлы имеют и недостатки – большую плотность , склонность к коррозии под действием различных агрессивных сред, существенные деформации при высоких температурах и т.д. Это обусловило применение сплавов металлов – материалов, которые содержат два и более химического элемента.
Металлы и сплавы делят на черные и цветные (медь, алюминий, цинк, никель). К черным металлам относят железо и сплавы на его основе (чугун, сталь). В строительстве более всего используют черные металлы – для изготовления каркасов здания, арматуры в железобетоне, конструкциях мостов, трубопроводов и т.д.

ρ>7000 кг/м3 , для легких - - ρ

кг/м3 . Чем меньше плотность, тем, соответственно, легче конструкции из металла. Температура плавления – изменяется при введении в металл добавок и характеризуется диаграммой состояния.
Температурное расширение металлов при нагревании - характеризуется коэффициентом линейного и объемного расширения и используется при производстве предварительно-напряженных конструкций в ЖБК.
Прочность – способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил. Различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Характеризуются они границами прочности или напряжениями, при которых исследуемый образец разрушается.
Ударная вязкость – способность металла сопротивляться ударным нагрузкам. Исследования проводят на копрах. Характеристикой является затраченная работа (Дж) на разрушение образца отнесенная к единице площади (м2) или объема (м3).
Твердость металла определяют его противодействием при вдавливании в него твердого стального шарика или алмазной пирамиды.
На усталость испытывают образцы из стали и сплавов, детали из которых работают в условиях повторно-переменных растягивающих, сжимающих, изгибающих и других нагрузок.
Ползучесть – способность деформироваться под постоянным нагружением. Вследствие ползучести могут увеличиться прогибы, утрачивается стойкость. Ползучесть особенно небезопасна в предварительно-напряженных конструкциях.

(26%) и некоторого количества фосфора

и т.д. Его выплавляют в доменных печах, куда подаются слоями: подготовленная железная руда (шихта), кокс (топливо) и флюс (известняки, доломиты), который снижает температуру плавления руды и способствует переходу вредных для металла примесей в шлак.
В железных рудах железо находится в виде окислов и в количестве 2070%. Кокс получают путем спекания угля без доступа воздуха. Он принимает участие в процессе получения железа.
В нижнюю часть печи, которую называют горном, подают горячий воздух , который поддерживает горение топлива. Кокс, соединяясь с кислородом, образует углекислый газ и, таким образом, получаем железо по схеме:
 
.
 
При этом образуются и другие элементы: и др.
В нижней части печи собирается расплавленный чугун, а над ним слой расплавленного шлака. Чугун и шлак 46 раз в сутки выпускают через желоба.
В процессе доменной плавки получают: а). переработанный (белый) чугун до 90%, который используют для производства стали; б). серый чугун - 815%, из которого изготавливают чугунные отливки; в). ферросплавы (до 3%) с повышенным содержанием , которые используют, как добавки при производстве стали.

мартеновским, конверторным и электроплавильными способами. Процесс выплавки состоит в уменьшении

количества углерода и примесей в чугуне окислением его кислородом воздуха, который продувается сквозь расплав. Образовавшиеся соединения выделяются в виде шлаков. Закись железа - ,которая остается в конце плавки, снижает механические свойства железа. Для розкисления в жидкий металл вводят . Оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком. Полностью розкисленную сталь называют спокойной, мало розкисленную – кипящей.
Мартеновский способ производства стали, основан на том, что сталь выплавляют в специальной печи, которая имеет регенераторы для нагрева воздуха и газа.










Конверторный способ основан на том, что расплавленный чугун, который находится в конверторе, продувается кислородом через специальные отверстия днища конвертора.
Электроплавильный способ производства стали, ведут в дуговых или индукционных электропечах.
В зависимости от количества легированных добавок различают стали:
низколегированные, с количеством легирующих веществ до 2%;
среднелегированные - 210%;
высоколегированные -  10%.
В строительстве широко используют низколегированную сталь.

стали.
На механические свойства углеродных сталей влияет содержание углерода. При его

увеличении повышается прочность, твердость и износостойкость стали, но снижается пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.
В марках сталей общего назначения обозначаются группы, на основании которых сталь применяется (А – по механическим свойствам; Б – по химическому составу; В – по механическим свойствам и химическому составу); условный номер стали (по содержанию углерода); дополнительные индексы (сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая сталь).
БСт1кп – саль группы Б с условным номером 1, кипящая.
Качественную конструкционную углеродную сталь (количество углерода 0,650,7%) делят на две группы:
а). с нормальным содержанием углерода; б). с повышенным содержанием углерода.
05кп – сталь со средним содержанием углерода 0,05%, кипящая;
А12 – автоматная сталь со средним содержанием углерода 0,12%.
Инструментальные углеродистые стали, содержат углерод 0,651,35% и марганца 0,4%. Их делят на качественные и высококачественные .
У7 – инструментальная сталь, качественная с содержанием углерода 0,7%.
У7А – инструментальная сталь, высококачественная с содержанием углерода 0,7%.
Легированными называют, стали, в состав которых вводят легирующие добавки:
С - кремний; Г - марганец; Х - хром; - никель; Н - марганец; В - вольфрам; Т - титан; Д - медь; К - кобальт; Ю - алюминий др.
09Г2СД – сталь с количеством углерода 0,09%, марганца – 2%; кремния 1 %; меди – до 1%.
В строительстве применяют низколегированные стали, которые содержат до 2,5% легирующих элементов.

коррозии в агрессивных средах. Широкое применение нашли хромистые нержавеющие и

хромоникелевые стали. Например, 08Х13.
Применяют их для производства изделий и конструкций, которые эксплуатируются в грунтовых и морских водах, газах и т.д.






 



13.5.3. Цветные металлы и сплавы.
 
Цветные металлы и их сплавы применяют для изготовления деталей, которые работают в условиях агрессивной среды и иметь высокую тепло- и электропроводность, небольшую массу.
Олово, медь, алюминий, цинк – цветные металлы.
Латунь – сплав меди с цинком (10+40%). При маркировке латуни (Л90), цифры обозначают количество меди в процентах.
Бронза – сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом.
Силумины – сплав алюминия с кремнием (до 14%).
Дюралюминий – сложный сплав алюминия с медью (до 5,5%), кремнием (0,8%), марганцем (0,8%), магнием (0,08%).

между валками получают сортовую сталь, прокатную сталь, листовую, трубы и

т.д. (блюмс, квадратный, круглый профиль, швеллер, уголок, тавр, двутавр и т.д.).

твердости, повышения пластичности и вязкости путем нагревания стали до температуры

более высокой, чем верхние критические точки на , выдержка при данной температуре с последующим очень быстрым охлаждением.
Б). Нормализация – выполняется для увеличения твердости и прочности, но уменьшении пластичности и основан на нагревании стали, недолгой выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.
В). Закаливание – основано на нагревании стали, выдержке ее и последующем быстром охлаждении. Выполняют для повышения прочности и твердости.
Г). Отпуск – это термическая обработка, при котором закаленную сталь нагревают, выдерживают, а потом охлаждают. Выполняют для снижения прочности и хрупкости, повышения пластичности.

и последующем проведении термообработки. Различают:
А). Цементация – поверхностное насыщение малоуглеродистой

стали с последующим закаливанием и отпуском с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной.
Б). Азонирование стали – процесс поверхностного насыщения стали азотом. Азонирование повышает поверхностную твердость в 1,52 раза по сравнению с цементацией, повышает коррозионную стойкость.
В). Цианирование – единовременное насыщение поверхности стального изделия азотом и углеродом. Повышает твердость, прочность, износостойкость.
Г). Диффузионная металлизация – процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алюминирование) и др. Повышает жесткость, износостойкость, коррозионную стойкость.

электрохимическое разрушение металлов под действием окружающей среды. Каждый год от

коррозии теряется около 10% произведенных металлов.
Для защиты металлов от коррозии применяют различные методы:
гальванический метод – электролитическое осаждение солей металлов;
металлизация – покрытие поверхности детали расплавленным металлом, распылением, сжатым воздухом;
оксидирование – защита оксидными пленками путем обработки сильными окислителями (азотная, марганцевая, хромовая кислоты);
лакокрасочное покрытие – механическая защита металла пленкой различных лаков и красок.