Металлические материалы

Холодное профилирование - процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных  станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией  в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания - упрочненную  холодносплющенную арматуру.

2.3. Углеродистые и легированные стали

Металлические конструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные  детали и другие строительные изделия  изготовляют, как правило, из конструкционных  углеродистых сталей. Конструкционные  легированные стали, используют только для особо ответственных металлических  конструкций и арматуры для предварительно напряженного железобетона.

В зависимости от содержания углерода стали делятся на низко- (до 0,25% углерода), средне- (0,25...0,6 %) и  высокоуглеродистые (>0,6 %). С увеличением  содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость, стали; прочность  ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости  стали, объясняется увеличением  содержания в стали твердого компонента - цементита.

Углеродистые стали по назначению подразделяют на стали общего назначения и инструментальные. Углеродистые стали общего назначения подразделяют на три группы: А, Б и В. Стали  группы А изготовляют марок Ст0, Ст1 и т. д. до Ст6 и поставляют потребителю  с гарантированными механическими  свойствами. Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода: в стали Ст3 - 0,14...0,22 % углерода в  стали Ст5 - 0,28...0,37 %.

Из стали марок Ст1 и  Ст2 с высокой пластичностью, изготовляют  заклепки, трубы, резервуары и т. п.; из сталей Ст3 и Ст5 - горячекатаный  листовой и фасонный прокат, из которой  выполняют конструкции и большинство  видов арматуры для железобетона. Эти стали хорошо свариваются  и обрабатываются. Стали группы Б (БСт0, БСт1, БСт3 и т. д.) поставляют с  гарантированным химическим составом; стали группы В - с гарантированным  химическим составом и механическими  свойствами. Благодаря определенности химического состава стали групп  Б и В можно подвергать термической  обработке.

Легированные стали помимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат легирующие элементы, повышающие качество стали с особыми  свойствами. Каждый элемент оказывает  свое влияние на сталь. Марганец (Г) повышает прочность, износостойкость  стали и сопротивление ударным  нагрузкам без снижения ее пластичности. Кремний (С) повышает упругие свойства. Никель (Н) и хром (Х) улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и  коррозионную стойкость. Молибден улучшает механические свойства стали.

Легированные стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами (нержавеющие, жаростойкие  и др.). Для строительных целей  применяют в основном конструкционные  стали.

Конструкционные низколегированные  стали, содержат не более 0.6 % углерода. Общее содержание легирующих элементов  не превышает 5 %.Низколегированные  стали, обладают наилучшими механическими  свойствами после термической обработки.

При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях  процента, следующие за ним буквы - условное обозначение легирующих элементов. Если количество легирующего  элемента составляет 2 % и более, то после  буквы ставят еще цифру, указывающую  это количество. Например, марка  стали 25ХГ2С показывает, что в  ней содержится 0,25 % углерода, около 1 % хрома, 2 % марганца и около 1 % кремния. При маркировке высококачественных легированных сталей (с низким содержанием  серы и фосфора) в конце ставится буква А.

В строительстве применяют  легированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД для ответственных металлических  конструкций (ферм, балок); 35ХС; 25Г2С, 25ХГ2СА, 30ХГСА и 35ХГСА - для арматуры предварительно напряженного бетона.

Прочность на растяжение таких  сталей в 2...3 раза выше, ферросилиций и алюминий. При получении легированных сталей в этот период в расплавленный металл вводят легирующие добавки, сталь получают заданного химического состава. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки - полуфабрикат, из которого получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее распространенный метод обработки - прокатка. При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и приобретает заданную форму. Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката - сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др. При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, и получают изделия заданных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения. Ковка - обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.). Штамповка - разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой  процесс выдавливания находящейся  в контейнере стали через выходное отверстие матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье  или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сечения, в том числе прутки, трубы  небольшого диаметра и разнообразные  фасонные профили.

Холодное профилирование - процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных  станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией  в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания - упрочненную  холодносплющенную арматуру.

2.4.  Стальной прокат, арматура и изделия

Стальные конструкции  выполняют из прокатных элементов  различного профиля, трубчатых и  гнутых профилей, полосовой и листовой стали. В строительстве чаще всего  применяют следующие прокатные  и гнутые профили: двутавровые балки, швеллеры, уголки равно- и неравнополочные, квадратные и прямоугольные трубы. Каждый профиль выпускают нескольких типоразмеров, регламентированных стандартами.

Стержневая арматурная сталь  представляет собой горячекатаные  стержни диаметром 6...80 мм. В зависимости  от марки стали и соответственно физико-механических показателей стержневую арматуру делят на шесть классов. С повышением класса увеличивается  предел прочности и снижается  относительное удлинение при  разрыве арматурной стали.

Арматурные стержни класса А-I гладкие, А-II...А-VI - периодического профиля, что улучшает их сцепление с бетоном. Стержневую арматуру диаметром более 10 мм поставляют в виде прутков длиной от 6 до 18м; диаметром 6...9мм - в бухтах и выпрямляют в стержни на месте  применения.

Стальную арматурную проволоку  изготовляют двух классов: В-I - из низкоуглеродистой  стали (предел прочности 550...580 МПа) и  В-II - из высокоуглеродистой или легированной стали (предел прочности 1300...1900 МПа). Проволоку  получают из стальных прутьев путем  вытяжки; при этом она упрочняется  в результате изменения структуры  металла (явление наклепа). Проволока  класса В-I предназначена для армирования  бетона без предварительного напряжения, а В-II - для предварительно напряженного армирования. Если на проволоке делают рифления для улучшения сцепления  с бетоном, то в обозначение добавляют  букву р (например, Вр-I или Вр-II).

Из стальной проволоки  изготовляют также арматурные сетки  и каркасы, нераскручивающиеся пряди (трех-, семи- и двенадцатипроволочные) марок П-3, П-7 и П-12 и стальные канаты. Канаты и пряди используют для  напряженной арматуры.

2.5.  Коррозия металлов и способы защиты от неё

Коррозия металлов - процесс  разрушения металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой, в результате которого металлы окисляются и теряют присущие им свойства. Ежегодно в мире в результате коррозии теряется 10... 15 % выплавляемого металла.

Химическая коррозия - разрушение металлов и сплавов в результате окисления при взаимодействии с  газами (О₂, SО₂и др.) при высоких температурах или с органическими жидкостями - нефтепродуктами, спиртом и т. п.

Электрохимическая коррозия - разрушение металлов и сплавов  в воде и водных растворах. Для  развития коррозии достаточно, чтобы  металл был просто покрыт тончайшим  слоем адсорбированной воды.

Для повышения долговечности  и сохранения декоративности металлоконструкции защищают от коррозии. Наиболее простой  способ, нанесение на его поверхность  водонепроницаемых неметаллических  покрытий (битумных, масляных и эмалевых красок), покрытие металлов тонким слоем пластмассы или металла (оловом, цинком, хромом, никелем и др.). Покрытие цинком используют для защиты от коррозии закладных деталей железобетонных изделий, водопроводных труб, кровельной жести. Защитный слой наносят гальваническим (электролитическим осаждением из раствора солей) или термическим методом (окунанием в расплав металла или распылением расплава).

Для получения металлов, хорошо противостоящих коррозии, применяют  легирование. Так, вводя в сталь  хром и никель в количестве 12...20 %, получают нержавеющие стали, стойкие  в минеральных кислотах. чем обыкновенных углеродистых сталей Ст3 и Ст5. Так, у стали 30ХГСА предел прочности при растяжении не менее 1100 МПа, а у стали 35ХГСА - не менее 1600 МПа (у стали Ст5 - 500...600 МПа). Такие высокие показатели позволяют получать из легированных сталей более легкие конструкции при сохранении необходимой несущей способности. Это снижает расход металла. Изменения физико-механических свойств стали можно добиться путем направленной термической обработки. Меняя режим нагрева, можно фиксировать ту или иную структуру стали. Закалка заключается в нагреве стали до 800... 1000° и быстром охлаждении в воде или в масле. При закалке образуется мартенситовая структура стали с высокой твердостью и прочностью, а также пониженной пластичностью и ударная вязкостью.

Нормализация - нагрев стали  с последующим охлаждением на воздухе. При этом образуется однородная мелкозернистая структура стали  с высокой пластичностью и  ударной вязкостью).

Отпуск - медленный нагрев стали до 250...350°С, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение на воздухе. Отпуск производится для  снижения уровня внутренних напряжений и перевода стали в ферритно-цементитную  структуру. Этот процесс как бы обратный закалке. Основная задача отпуска - повышение  пластичности стали с сохранением  высокой прочности.

3. Цветные металлы

Цветная металлургия – отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на благородные, тяжелые, легкие и редкие.

К благородным металлам относят  металлы с высокой коррозионной стойкостью: золото, платина, палладий, серебро, иридий, родий, рутений и  осмий. Их используют в виде сплавов  в электротехнике, электровакуумной технике, приборостроении, медицине и  т.д.

К тяжелым относят металлы с большой плотностью: свинец, медь, хром, кобальт и т.д. Тяжелые металлы применяют главным образом как легирующие элементы, а такие металлы, как медь, свинец, цинк, отчасти кобальт, используются и в чистом виде.

К легким металлам относятся  металлы с плотностью менее 5 грамм на кубический сантиметр: литий, калий, натрий, алюминий и т.д. Их применяют в качестве раскислителей металлов и сплавов, для легирования, в пиротехнике, фотографии, медицине и т.д.

К редким металлам относят  металлы с особыми свойствами: вольфрам, молибден, селен, уран и т.д.

К группе широко применяемых  цветных металлов относятся алюминий, титан, магний, медь, свинец, олово.

Цветные металлы обладают целым рядом весьма ценных свойств. Например, высокой теплопроводностью (алюминий, медь), очень малой плотностью (алюминий, магний), высокой коррозионной стойкостью (титан, алюминий).

По технологии изготовления заготовок и изделий цветные  сплавы делятся на деформируемые  и литые (иногда спеченые).

На основании этого  деления различают металлургию  легких металлов и металлургию тяжелых  металлов.

3.1. Медь и ее сплавы

Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Медь относится к металлам, известным с глубокой древности.

Технически чистая медь обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью (100% чистая медь-эталон, то 65%-алюминий, 17% железо), а также стойкостью против атмосферной коррозии. Позволяет использовать ее в качестве кровельного материала ответственных зданий.

Температура плавления меди 1083°С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94 г/см^{3 .} Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением (из меди можно сделать фольгу толщиной 0,02 мм), плохо резанием.

Литейные свойства низкие из-за большой усадки.

На свойства меди большое  влияние оказывают примеси: все, кроме серебра и бериллия ухудшают электропроводность.