Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 24 )

Технические металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных зерен размером 0,001-0,1 мм. Поэтому в целом металлы являются условно изотропными телами, т. е. обладающими примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

Производство чугуна и стали. Чугун выплавляют в доменных печах из железных руд (красного железняка, магнитного железняка и др.). Основным видом топлива является кокс. Для снижения температуры плавления пустой породы, в состав которой входят кремнезем, алюмосиликаты, а также вредные примеси (сера, фосфор), в печь при загрузке руды и топлива добавляют в зависимости от состава руды основные плавни, или флюсы (известняк, доломит), или кислые флюсы (кварц, кварцит, песчаник). Чугун при доменном процессе получается в результате восстановления железа из руд по схеме

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

Жидкий металл скапливается внизу, более легкий шлак всплывает на поверхность чугуна и защищает его от окисления. После выплавки чугуна сначала выпускают шлак, а затем через нижнее отверстие – чугун. В результате получают науглероженное железо (чугун) с примесями кварца, фосфора, серы, марганца.

Сталь выплавляют в мартеновских печах, конверторах, электропечах. Выплавка стали заключается в уменьшении содержания углерода и примесей в металле путем окисления их кислородом воздуха или кислородом, содержащимся в железной руде, до таких соединений, которые могут быть переведены в шлак или удалены в газообразном состоянии. За счет высокой температуры и поступления кислорода в печь происходят процессы окисления углерода и примесей и их перевод в шлак, а также окисления железа до закиси FeO. Чтобы избавиться от последней, немедленно проводят процесс раскисления: FeO ® Fe. Для этого в расплав вводят раскислители (ферросплавы, алюминий), энергично соединяющиеся с кислородом закиси железа. В зависимости от полноты раскисления различают: спокойную сталь, получающуюся при полном раскислении и застывании металла без выделения газа;  полуспокойную и кипящую стали, получающиеся при неполном раскислении. В кипящей стали часть газов остается в металле и при его охлаждении образует газовые пузыри. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталями.

Состав и строение железоуглеродистых сплавов. В результате совместной кристаллизации могут образовываться сплавы следующих типов: механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение. Механическая смесь образуется путем срастания кристаллов между собой при сохранении специфических свойств каждого компонента. Твердый раствор образуется в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения, когда атомы одного компонента частично замещают атомы другого компонента в узлах его кристаллической решетки (при совместной кристаллизации металлов), и внедрения, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристаллической решетки другого (при совместной кристаллизации металла с неметаллом). Химическое соединение образуется в результате химического взаимодействия в строгом порядке и количественном соотношении. Основное химическое соединение в сплавах железа с углеродом – карбид железа Fe3С, называемый цементитом.

Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение меняется в зависимости от состава сплава, а также температуры получения. Основными структурными элементами железоуглеродистого сплава при изменении содержания в нем углерода (рис.8) являются: феррит – твердый раствор углерода  в a-Fe, по свойствам близкий к чистому железу, такой же мягкий и пластичный; цементит – карбид железа Fe3С, химическое соединение, очень твердый; перлит – механическая смесь феррита и цементита; ледебурит – механическая смесь аустенита (твердого раствора углерода в g-Fe) и цементита, очень тверд, хрупок.

С увеличением содержания углерода в железоуглеродистом сплаве меняется его структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество перлита. При этом твердость и прочность сплава становится выше, его пластические свойства – ниже.

Механические свойства металлов – это предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость. При испытании на растяжение строят диаграмму растяжения, на которой для одних металлов, например низко - и среднеуглеродистых сталей, фиксируется площадка текучести, указывающая на способность металла претерпевать значительные пластические деформации; на диаграмме растяжения других металлов, например высокоуглеродистых сталей, такая площадка отсутствует.

Предел текучести σт (МПа) определяют либо как напряжение, соответствующее нижнему пределу площадки текучести, либо – для металлов, не имеющих площадки текучести, – как напряжение, при котором достигается некоторая остаточная деформация (обычно 0,2 %, если ее величина не оговорена особо):

,

где рт – соответствующая нагрузка, Н; А0 – площадь первоначального сечения шейки образца, мм2.

Временное сопротивление σв (МПа) определяют как предел прочности металла на растяжение:

,

где рв – нагрузка, соответствующая разрыву образца, Н.

Относительное удлинение Δl (%) характеризует пластичность металла и определяется как отношение приращения длины образца к его исходной длине:

,

где l1 – максимальная длина образца (в момент разрыва), мм; l0 – первоначальная длина образца, мм.

Для чугунов определяют пределы прочности при растяжении, сжатии, изгибе, а также твердость.

9.2. Основные виды и марки сталей, применяемых в строительстве

В строительстве в основном применяют углеродистые стали обыкновенного качества, качественные конструкционные углеродистые стали и низколегированные конструкционные стали.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат углерод в количестве 0,06 – 0,62 %, а также примеси кремния и марганца в нормальных концентрациях. При обозначении марок стали могут быть указаны: группы поставки  (А – по механическим свойствам, Б – химическому составу,
В – механическим свойствам с дополнительными требованиями по химическому составу); метод производства (М – мартеновский, Б – бессемеровский, К – кислородно-конверторный); дополнительные индексы (сп – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь, кп – кипящая сталь). В группе А обозначение способа производства часто опускается, однако имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии дополнительного индекса подразумевается сталь спокойная.

Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготавливают марок: Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6, Ст 7; сталь группы Б – тех же марок, что и сталь группы А, но перед маркой стали ставят букву Б (например, Б Ст 0, Б Ст 1 кп); сталь группы В – В Ст 2, В Ст 3, В Ст 4 и  В Ст 5. По мере увеличения номера повышаются содержание углерода в стали, ее прочность и твердость, но снижаются пластичность и ударная вязкость.

Качественная конструкционная углеродистая сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам и выплавляется в мартенах и кислородных конверторах. Установлены марки этой стали: 05 кп,  08 кп, 08 пс, 10 кп, 10 пс, 15 кп, 15 пс, 15, 20 кп, 20 пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Две цифры в марках показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

В маркировке легированной стали  указывают названия легирующих добавок и их содержание. Приняты буквенные обозначения легирующих элементов: С – кремний (при концентрации выше нормальной), Г – марганец (концентрации выше нормальной), Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Т – титан и др. Первые две цифры марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра в начале марки обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода составляет 1 % и выше. Цифры, следующие за буквами, показывают среднее содержание данного элемента в процентах; если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента около 1 %. Буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь, содержащую меньше серы и фосфора. Например, 35 Х Н 3 М А – это легированная сталь, высококачественная, с содержанием углерода 0,35 %, хрома и молибдена – около 1 %, никеля – 3 %; Г 13  – это легированная сталь с содержанием углерода 1 % и выше, марганца – 13 %.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали широко применяют для изготовления металлических конструкций мостов, опор, транспортных галерей, элементов каркаса зданий и сооружений, армирования железобетонных конструкций и др. Элементы металлических конструкций получают в горячем или холодном состоянии различными способами: прокатом, ковкой, волочением, штамповкой, прессованием (металлических порошков). После  этого часто производят термическую или механическую обработку стали с целью ее упрочнения.

К термической обработке стали относят: а) закалку, б) отпуск, в) отжиг, г) нормализацию, д) обработку холодом, е) химико-термическую обработку (цементацию, азотирование, хромирование). Для низкоуглеродистых сталей термическая обработка повышает предел прочности на 20-  25 %, что снижает расход стали на 13-18 %. Экономическую эффективность металлических конструкций повышают, применяя высокопрочные стали (600-1000 МПа). Для этого их легируют карбидообразующими элементами (например, хромом, молибденом, вольфрамом, ниобием).

Соединение элементов в конструкцию производят с помощью сварки, клепки, болтов. Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений металлических изделий с применением местного нагрева. По виду энергии различают сварку химическую (газовую, термитную) и электрическую (дуговую, контактную); по состоянию металла в зоне сварки – пластическую (нагрев металла до пластического состояния) и сварку плавлением; по способу подачи металла и осуществления сварки  – ручную, полуавтоматическую и автоматическую. В строительстве наиболее распространены электродуговая сварка плавлением и электроконтактная  сварка в пластическом состоянии (стыковая, точечная, шовная или роликовая). Газовая сварка применяется для соединения элементов из чугуна, цветных металлов, строительных деталей малой толщины.