Металлы составляют свыше трех четвертей всех существующих в природе элементов. Правда, далеко не, все они применяются в промышленности, использующей как чистые металлы, которые при плавке тщательно очищают от всех примесей, так и их сплавы. Часто в металл или сплав для изменения их свойств добавляют другие элементы. Этот процесс называют легированием, а саму добавку, которая может представлять собой также сложный сплав, — лигатурой.
Условно принято все существующие металлы и сплавы подразделять на черные и цветные. К первым относят железо и сплавы на его основе: стали, чугуны. Черные металлы до настоящего времени являются главным конструкционным материалом при изготовлении машин и механизмов, в сторительном деле, в судо - и автостроении.
Все остальные металлы и их сплавы относят к цветным металлам. Из цветных металлов наиболее важное промышленное значение получили медь, алюминий, магний, титан, цинк, олово, свинец, никель и ряд других. Цветные металлы в свою очередь принято подразделять на две основные группы — легкие металлы (например, алюминий, магний, титан) и тяжелые (например, медь, цинк, никель) плотностью более 5 г/см3. Выделяют также благородные металлы (например, золото, серебро и платина) и редкие (германий, цирконий, тантал и др.). По способности металлов и сплавов деформироваться без разрушения различают литейные и деформируемые сплавы. К первым относят силумины (алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния), некоторые бронзы, баббиты и др. Ко вторым — все остальные сплавы, подвергающиеся деформации.
Значительными особенностями производства и обработки обладает группа тугоплавких металлов. Тугоплавкими принято считать металлы, температура плавления которых превышает 1875 °С (вольфрам, молибден, ниобий, хром и др.).
Как было отмечено, металлы и сплавы очень широко применяют в народном хозяйстве. Электротехническая промышленность, например, потребляет большое количество меди, имеющей высокую электропроводность для изготовления проводов, кабелей и токопроводящих шин. Алюминиевая фольга идет на производство конденсаторов и бытовые нужды. Из сплавов на основе меди и никеля изготовляют ленты и полосы, которые используют для листовой штамповки. Цинк необходим в полиграфической промышленности и при изготовлении гальванических элементов. Титан и его сплавы применяют в химической промышленности, сплавы же, имеющие высокую прочность, служат как конструкционный материал в авиа - и ракетостроении.
Непрерывно растущие требования промышленности привели к появлению в последние десятилетия совершенно новых материалов, обладающих таким комплексом свойств, который нельзя было получить обычными традиционными методами легирования.
Многослойные металлы (биметаллы), применяемые в различных сочетаниях, позволяют использовать специфические особенности каждого сплава (или металла) в одном изделии. Например, биметалл, состоящий из меди и нержавеющей стали, позволяет сочетать хорошие тепло - и электропроводные свойства меди с прочностью и коррозионной стойкостью стали.
Значительный выигрыш в прочности получен армированием сплавов на алюминиевой основе высокопрочными волокнами из стали и неметаллических материалов.
Компактные металлические полуфабрикаты, спресованные из металлического порошка или из металлических гранул, полученных быстрым охлаждением, также отличаются рядом новых полезных свойств по сравнению с изделиями, изготовленными обычным путем.
В настоящее время ведутся работы, цель которых — получение аморфного металла настолько быстрым охлаждением расплава, что атомы не успевают занять свои места в кристаллической решетке. Удивительные свойства аморфных металлов будут также поставлены на службу человечества.
Классификация и свойства металлов
Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две основные группы:
- черные металлы
- цветные металлы
Черные металлы - сплав железа с углеродом. Но черные металлы могут содержать в небольшом количестве марганец, кремний, серу, фосфор и другие химические элементы. Чтоб улучшить свойства черных металлов к ним добавляют легирующие элементы - хром, медь и никель.
Легирующие элементы - улучшающие элементы.
Черные металлы подразделяют на чугун и сталь в зависимости от содержания в них углерода.
Чугун - железоуглеродистый сплав, в котором углерода более 2%, содержащий примеси кремния, марганца, фосфора, серы. По назначению чугун делится на: литейный, передельный и специальный (ферросплавы).
Литейный чугун представляет собой конструкционный материал, из которого изготавливают отливки различных строительных деталей.
Передельный чугун является промежуточным продуктом, который используется для переработки в сталь.
Специальный чугун применяют для изготовления чугунного литья специального назначения, так как он имеет высокие механические свойства.
Так же чугун подразделяется в зависимости от формы, содержания примесей и цвета на серый (литейный) и белый (передельный). Белый чугун очень хрупкий и имеет высокую твердость, в нем углерод химически связан с железом.
Серый чугун в расплавленном состоянии хорошо "течет", заполняя формы, а при затвердевании дает малую усадку и хорошо поддается механической обработке. В нем углерод находится в свободном состоянии в виде мелкого и хрупкого компонента - графита.
Разновидностью серого чугуна является модифицированный чугун, который получают посредством введения модификаторов в жидкий сплав серого чугуна, что обеспечивает ему высокие механические свойства.
Разновидностью белого чугуна является ковкий чугун. Его получают при длительном отжиге. Он прочнее и пластичнее серого чугуна, а так же легче обрабатывается.
Маркировка чугунов
Буквами СЧ маркируются серый и модифицированный чугуны. Например СЧ 120-280, где первая цифра - это предел прочности при растяжении(МПа), а вторая - предел прочности при изгибе (МПа).
Сталь - это железоуглеродистый сплав, содержание углерода в котором менее 2%. В отличие от хрупкого чугуна сталь является пластичной и упругой.
По химическому составу стали делят на: углеродистые и легированные. А по способу производства на конверторные, мартеновские и электростали.
Углеродистые стали имеют в своем составе примеси серы, фосфора и марганца (0,25...0,9%). Последний повышает прочность стали, не влияя на ее пластичность. Сера и фосфор - вредные примеси, фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), сера снижает коррозионную стойкость и прочность, вызывает красноломкость.
В зависимости от содержания углерода стали делятся на малоуглеродистые (до0,25%), среднеуглеродистые (0,25-0,6%) и высокоуглеродистые (более 0,6%).
Углеродистые стали могут быть обыкновенного качества, качественные конструкционные (ответственные строительные конструкции) и инструментальные (изготавливают детали машин).
В зависимости от свойств стали обыкновенного качества ее делят на три группы: А, Б и В.
Полученную различными способами углеродистую сталь разделяют на:
- спокойную (СП)
- полуспокойную (ПС)
- кипящую (КП)
Легированные стали - стали, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, титан, вольфрам, медь. Эти элементы в значительной степени улучшают свойства сталей: повышают механическую прочность, закаливаемость, коррозионную стойкость.
Марганец увеличивает прочность, твердость, сопротивление стали износу; хром и кремний повышают жаростойкость и прочность; медь - стойкость к атмосферной коррозии; никель - вязкость без снижения прочности.
По содержанию добавок стали делятся на:
- низколегированные (до 2,5%)
- среднелегированные (2,5…10%)
- высоколегированные (более 10%)
Чаще всего в строительстве используют низколегированные стали.
Цветные металлы:
- легкие (плотность до 5 г/см3)
- тяжелые (плотность выше г/см3)
Цветные металлы используются в чистом виде редко, чаще применяют их сплавы.
Легкие металлы - это алюминий, магний и их сплавы. Самые распространенные сплавы алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы типа дюралюминия и силумин.
Тяжелые металлы - цинк, свинец, медь и ее сплавы. Среди тяжелых сплавов применяют бронзу (сплав меди с оловом) и латунь (сплав меди с цинком).
Технологические свойства стали
К основным технологическим свойствам стали относятся:
1) свариваемость стали. При нагреве сталь постепенно размягчается, а при температуре 1300—1400° С становится тестообразной. Если два куска стали, нагретых до тестообразного состояния, сложить вместе и сжать под прессом или молотом, то они соединятся в одно целое или, как говорят, сварятся;
2) закаливаемость стали. Сталь, нагретая до температуры 750—900° (температура нагрева зависит от состава стали) и быстро охлажденная в воде или масле, становится более твердой и хрупкой. Процесс, сопровождающийся изменением структуры (т. е. строения) стали, называется закалкой.
Чем больше в стали содержание углерода, тем лучше она закаливается. Сталь с содержанием углерода до 0,15% не закаливается и, наоборот, лучше закаливается сталь с содержанием углерода более 0,5%. Отдельные элементы, входящие в состав стали, влияют на свойства ее следующим образом.
Углерод (С). С увеличением в стали содержания углерода увеличиваются ее твердость, прочность и закаливаемость, но понижаются ковкость и теплопроводность. Чем больше в стали углерода, тем медленнее ее надо нагревать. Сталь с содержанием углерода до 1,4% хорошо куется и прокатывается.
Кремний (Si) повышает прочность и упругость стали, но понижает вязкость и свариваемость. В стали машиностроительных сортов кремния обычно содержится от 0,2 до 0,4%'. Заметного влияния на ковкость кремний не оказывает.
Марганец (Мn). В обычных сортах углеродистых сталей марганца содержится от 0,2 до 1 %, а в специальных сортах до 14%. Марганец повышает сопротивляемость удару, прочность, уменьшает истирание, понижает вредное влияние серы. С увеличением содержания марганца понижается теплопроводность и свариваемость. Марганец способствует перегреву стали и появлению трещин. Чем больше в стали марганца, тем медленнее ее нужно греть; чтобы избежать перегрева и пережога марганцовой стали, необходимо тщательно следить за температурой нагрева и выдержкой при высоких температурах. Правильно нагретые заготовки или слитки из марганцовой стали куются хорошо.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость и прочность стали. Никель не влияет на ковкость стали, но при нагреве никелевых сталей образуется окалина, которая прочно удерживается на поверхности заготовки. Окалина может заковываться в деталь и тем самым понижать ее механические качества.
Хром (Сr) повышает твердость, прочность и упругость стали, но понижает вязкость и теплопроводность. При ковке литого слитка структура хромистой стали плохо поддается разрушению. Для получения в поковке мелкозернистой структуры нужна большая проковка при высокой температуре. Хромистая сталь при температуре 1150—850° С куется удовлетворительно, а при низких температурах (ниже 850° С) твердость поверхности ее резко возрастает, отчего могут появляться трещины.
Молибден (Мо) добавляется в сталь вместе с никелем sr хромом. В сталях различных марок молибдена содержится до 0,45% и редко до 1%. В сплаве с хромом и никелем молибден повышает прочность и вязкость стали, но понижает теплопроводность. Чем больше в стали молибдена, тем медленнее ее надо греть, так как наличие молибдена сильно повышает чувствительность стали к перегреву. Молибденовые стали требуют интенсивной проковки на более мощных, прессах или молотах, чем прессы и молоты, на которых куются углеродистые стали. Охлаждать поковки из молибденовой стали нужно медленно, строго по-технологическому процессу, так как молибденовая сталь принимает воздушную закалку и предрасположена к образованию трещин.
Ванадий (V). В сталях, применяемых в машиностроении,, ванадия обычно содержится до 0,3% и редко до 1%. Ванадий повышает прочность и упругость стали, способствует образованию мелкозернистой структуры слитков. Содержание ванадия в стали улучшает ее ковкость и препятствует перегреву.
Вольфрам (W) повышает твердость и прочность стали, незначительно понижает вязкость и уменьшает теплопроводность. Ковка вольфрамовой стали при низких температурах вызывает трещины. Вольфрамовые стали нужно греть медленнее, чем углеродистые, а ковать при более высоких температурах.
Сера (S) — вредная примесь в стали, но в то же время является таким элементом, который переходит в сталь при ее плавке. Серы в стали должно быть как можно меньше. В сталях, применяемых, для изготовления особо ответственных деталей, содержание серы не должно превышать 0,02—0,03%, а в обычных сталях 0,045—0,055%. Повышенный процент серы в стали приводит к красноломкости. Если такую сталь нагреть до красного каления, то она становится хрупкой, во время ковки дает трещины и разрушения. При обычной температуре сера, содержащаяся в стали, понижает ее прочность.
Фосфор (Р). В отличие от серы фосфор сообщает стали холодноломкость, т. е. вызывает хрупкость при комнатной температуре. Фосфора в сталях, из которых изготовляются ответственные детали, не должно быть больше 0,03—0,04%. Чем больше сталь содержит углерода, тем больше может быть фосфора. Холодноломкость стали часто обнаруживается при правке и гибке изделий во время морозов в неотапливаемом помещении.
