металлические материалы

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Металлы – это простые вещества, имеющие в твердом
состоянии кристаллическое строение и обладающие
характерными свойствами: высокой плотностью, блеском,
непрозрачностью, высокой тепло- и звукопроводностью,
пластичностью.
Сплавы металлов (или металлические сплавы) – это
твердые и жидкие системы, полученные сплавлением
нескольких металлов или металлов с неметаллами
(например, железоуглеродистые сплавы). Металлические
сплавы по свойствам имеют много общего с металлами и
поэтому их часто объединяют единым термином
«металлы».
Металлы
и металлические
сплавы
черные металлы
(чугун, сталь)
цветные металлы
(алюминий, медь, цинк,
олово, никель, титан,
магний, бронзу, латунь)
В зависимости от содержания углерода черные
металлы подразделяют на чугуны и стали.
Чугун – сплав железа с углеродом (обычно 2…4,3 %),
содержащий постоянные примеси кремния, марганца,
фосфора и серы, а иногда и легирующие элементы.
Сталь – ковкий (деформируемый) сплав железа с
углеродом (до 2 %).
Чугун
Чугун получают:
 в доменных печах из железных руд;
 в вагранках из металлолома.
Сырьем для производства чугуна служат : магнитный железняк Fe3O4,
красный железняк Fe2O3, бурый железняк 2 FeO3 ·3H2O и шпатовый железняк
FeСO3.
Чугун в зависимости от назначения подразделяется на:
 литейный (серый) – используют для отливки узорчатых перильных
ограждений мостов, оград, тюбингов для облицовки тоннелей, труб и др.;
 передельный (белый) – используют для производства стали;
 специальный
(сплав железа с марганцем, кремнием и другими
легирующими добавками) – применяют при получении стали как легирующие
добавки или как красители.
Свойства чугуна:
 малая прочность при растяжении и изгибе по сравнению со сталью;
 хрупкий материал;
 трудно поддается сварке.
Для уменьшения хрупкости чугуна и повышения других физикомеханических свойств в его состав вводят добавки цветных металлов или
химических элементов. Таким образом получают высокопрочный и ковкие
чугуны.
Сталь
Сталь имеет более высокую пластичность, лучше обрабатывается. Получение стали
из чугуна заключается в уменьшении примесей до допускаемого количества. Основными
примесями в стали являются сера, фосфор, марганец, кремний.
В зависимости от способа производства стали подразделяют на:

конверторные (бессемеровские и томассовские);

мартеновские;

электропечные.
Конверторным способом можно получать как углеродистую, так и легированную
сталь.
Из конверторной стали изготавливают листовое железо, проволоку, строительные
прокатные профили и т.д.
Мартеновский способ наиболее распространен. Он позволяет получать сталь
высокого качества за счет регулирования химического состава и свойств стали.
Мартеновские стали используют для изготовления ответственных несущих
конструкций мостов, ферм перекрытий, профильного проката, для устройства
подкрановых балок, рельсов и т.д.
Расширяется получение сталей в электропечах. Этот способ позволяет получать
металл очень высокого качества.
Обычно электроплавкой
получают жаро- и
кислотоупорные стали, нержавеющие, инструментальные и конструкционные
повышенного качества. Стоимость электросталей выше мартеновских и конверторных
из-за большого расхода электроэнергии.
По химическому составу стали делят на:
- углеродистые (содержат нормальные примеси кремния,
марганца, фосфора, серы и кислорода);
- легированные (для улучшения свойств вводят легирующие
цветные металлы – никель, хром, алюминий, вольфрам, титан и др).
Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода
подразделяются на:
 низкоуглеродистые (до 0,25 %);
 среднеуглеродистые (0,25 – 0,6 %);
 высокоуглеродистые (более 0,6 %).
Легированные стали подразделяются на 2 группы:
 низколегированные ;
 высоколегированные.
В
строительстве
в
основном
используют
низко-,
среднеуглеродистые и низколегированные стали.
По применению стали делятся на:
 конструкционные;
 инструментальные (используются для изготовления
режущих, ударных и измерительных инструментов и
приспособлений);
 специальные (стали с особыми физико-механическими
и химическими свойствами: нержавеющие, жаро- и
кислотостойкие с особыми магнитными и электрическими
свойствами и др.).
Свойства металлов
К механическим свойствам металлов относят:
 прочность;
 твердость;
 ударную вязкость;
 усталость;
 ползучесть.
Они определяются стандартными способами и учитываются при
проектировании конструкций и изделий из металлов.
Прочность – это способность металла сопротивляться действию внешних сил.
Различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении.
Под твердостью понимают свойство металла сопротивляться проникновению
в него более твердого тела. Твердость определяют следующими способами: по
Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу.
Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность
сопротивляться хрупкому разрушению.
Усталость материала – процесс постепенного накопления повреждений под
действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к
изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению
материала за указанное время.
Ползучестью называется медленное нарастание пластической деформации
металла под действием постоянной нагрузки.
Цветные металлы и их сплавы
Цветные металлы в чистом виде обладают высокой пластичностью,
тепло- и электропроводностью, стойки к атмосферной коррозии, однако
имеют невысокую прочность. Цветные металлы разделяют на легкие и
тяжелые. Легкие имеют плотность менее 3500 кг/м3. Основными компонентами
легких металлов являются алюминий и магний.
Наиболее часто используют алюминий, медь и их сплавы.
Алюминий – легкий серебристо-белый металл (плотность - 2700 кг/м3).
Отличается высокой коррозионной стойкостью на воздухе за счет
образования защитной пленки (Al2O3), пластичностью, легко поддается
прокатке,
ковке,
прессованию,
имеет
высокую
теплои
электропроводность. Предел прочности алюминия при растяжении –
90…120 МПа, твердость HB = 25…30.
Медь – мягкий, ковкий металл красного цвета с
плотностью 8800 кг/м3, температурой плавления - 1083 °С,
пределом прочности при растяжении - около 200 МПа. Медь
является
пластичным
металлом,
хорошо
проводит
электричество и теплоту.
Цинк получают из сульфидных цинковых руд. Плотность
цинка - 7000 кг/м3. Его температура плавления - 410 °С. При
обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до 150 °С
он становится пластичным.
Свинец - мягкий пластичный тяжелый металл. Плотность
свинца - 11400 кг/м3; температура плавления - 325 °С. Свинец
хорошо льется и прокатывается, хорошо противостоит
действию серной и соляной кислот. Предел прочности при
растяжении - до 20 МПа, твердость НВ = 5,9. Свинец
непроницаем для рентгеновских лучей и частично не
пропускает γ-лучи. Применяется в мостостроении.
Олово - мягкий, стойкий против коррозии металл. Плотность
олова - 7230 кг/м3; температура плавления - 232 °С.
Применяется для лужения стали и меди в качестве припоя и как
составная часть цветных легкоплавких сплавов. Предел
прочности при растяжении - 35...45 МПа, твердость НВ = 12.
Сплавы
титана
(с
алюминием
вольфрамом,
молибденом, хромом) имеют предел прочности при
растяжении 700...1200 МПа, который легированием и
термообработкой может быть увеличен до 1800…2000 МПа.
Титановые сплавы сочетают в себе низкую плотность (4500
кг/м3), высокую твердость (НВ > 1000), коррозионную
стойкость и жаропрочность (до 400 °С).
Способы получения материалов
из металлов
Для получения изделий из пластичных
металлов применяют следующие способы
обработки:
1. прокат
2. ковка
3. волочение
4. штамповка
5. прессование
Схема проката металла
Волочение металла
Ковка – процесс деформации металла под действием
повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть
свободная и штампованная.
Волочение заключается в протягивании металлической
заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения
заготовки. Способом волочения изготавливают тонкостенные
изделия – трубки, круглые, квадратные, шестиугольные прутки
и арматуру.
Способом
прессования
изготовляют
профильные
материалы и трубы из сталей или цветных металлов. При этом
металл
выдавливается
под
давлением
с
помощью
гидравлического или механического прессов из замкнутого
контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры
которой определяют сечение формуемого профиля.
Область применения металлических
материалов и изделий
Из чугуна выполняют опорные части колонн (подушки),
тюбинги - укрепляющие своды тоннелей, трубы, радиаторы,
санитарно-технические изделия. Чугунные гладкие и рифленые
плиты применяют для покрытий полов подвергающихся
большим ударным нагрузкам, а также в горячих цехах, где их
применяют в зонах нагрева пола до 1000…1400 °С.
Сталь, наряду с бетонами, - главнейший конструкционный
материал.
Номенклатура стальных материалов включает различные
профили и листы, оболочки, мембраны, тросы, канаты,
черепицу, закладные детали, декоративно-художественные
изделия.
Виды стальных профилей, полученных способом проката:
1 - блюмс; 2 - квадратный с закругленными углами; 3 - квадратный; 4 - круглый;
5 - полосовой; 6 - треугольник; 7- овальный; 8 - полукруглый; 9 - сегментовый;
10 - ромбовидный; 11 - угловой неравнобокий; 12 - угловой равнобокий; 13 - швеллер;
14 - двутавровый; 15 - тавровый; 16 - рельсовый; 17 - зетовый; 18 - колонный
Виды стальной арматуры для железобетонных изделий:
а - гладкая стержневая; б - гладкая проволочная; в - проволочная прядь;
г - горячекатаная периодического профиля; д - холодносплющенная;
Защита металлических
материалов и изделий
от коррозии и огня
Коррозией называется процесс химического и
электрохимического
разрушения
металлов
под
воздействием окружающей среды.
Коррозия
Химическая
Электрохимическая
Химическая коррозия происходит при воздействии на
металл сухих газов и растворов неэлектролитов – бензина,
масел, мазута, спиртов и др. На поверхности металла
образуется пленка из продуктов коррозии.
Электрохимическая
коррозия
происходит
при
воздействии на металл растворов электролитов: воды, водных
растворов солей, кислот, щелочей, расплавов солей и
щелочей.
Коррозия металлов в атмосфере, почве и других
агрессивных средах арматурной стали и бетона, имеет свои
особенности.
Методы защиты
Методы можно разделить на 2 группы:
1 группа. На стадии изготовления изделий:
 вводят легирующие добавки для регулирования свойств, в
частности коррозионной стойкости;
 проводят
термохимическую
обработку,
диффузионную
металлизацию;
 вводят в бетонную смесь ингибиторы коррозии;
 создают защитный слой бетона в железобетонных изделиях.
2 группа. На стадии эксплуатации:
 покрывают
изделия
лакокрасочными
металлическими
покрытиями;
 обрабатывают почву замедлителя коррозии.