Строительные материалы. Лекции

 ЛЕКЦИЯ  №15

 Металлы и металлические  изделия. 

 Общие сведения.

 В водохозяйственном  строительстве широко применяют  различные материалы в виде металлопроката и металлических изделий. Металлопрокат используют при строительстве насосных станций, производственных зданий, изготовлении металлических затворов различного типа. Металлы, применяемые в строительстве, делят на две группы: чёрные (железо и сплавы) и цветные. В зависимости от содержания углерода чёрные металлы подразделяют на чугун и сталь.

 Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2% до 6,67%. В зависимости от характера металлической основы он делится на четыре группы: серый, белый, высокопрочный и ковкий.

 Серый чугун – содержит 2,4…3,8% углерода. Он хорошо поддаётся обработке, имеет повышенную хрупкость. Его используют для литья изделий, не подвергающихся ударным воздействиям.

 Белый чугун – содержит 2,8…3,6% углерода, обладает высокой твёрдостью, однако он хрупок, не поддаётся обработке, имеет ограниченное применение.

 Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун магния 0,03…0,04% он имеет тот же химический состав что и серый чугун. Он имеет наиболее высокие прочностные свойства. Его применяют для отливки корпусов насосов, вентилей.

 Ковкий  чугун – получают длительным нагревом при высоких температурах отливок из белого чугуна. Он содержит 2,5…3,0% углерода. Его применяют для изготовления тонкостенных деталей (гайки, скобы…). В водохозяйственном строительстве применяют чугунные плиты – для облицовки поверхностей гидротехнических сооружений, подвергающихся истиранию наносами, чугунные водопроводные задвижки, трубы.

 Стали – получают в результате переработки белого чугуна в мартеновских печах. С увеличением в сталях содержания углерода повышается их твёрдость и хрупкость, в то же время понижается пластичность и ударная вязкость.

 Механические  и физические свойства сталей значительно  улучшаются при добавлении в них  легирующих элементов (никеля, хрома, вольфрама). В зависимости от содержания легирующих компонентов стали делятся на четыре группы: углеродистые (легирующие элементы отсутствуют), низколегированные (до 2,5% легирующих компонентов), среднелегированные (2,5…10% легирующих компонентов), высоколегированные (более 10% легирующих компонентов).

 Углеродистые  стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на низкоуглеродистую (углероды до 0,15%), среднеуглеродистую (0,25…0,6%) и высокоуглеродистую (0,6…2,0%).

 К цветным  металлам и сплавам относят алюминий, медь и их сплавы (с цинком, оловом, свинцом, магнием),  цинк, свинец.

 В строительстве  используют лёгкие сплавы – на основе алюминия или магния, и тяжёлые сплавы - на основе меди, олова, цинка, свинца. 

 Стальные  строительные материалы  и изделия.

 Горячекатаные стали выпускают в виде равнополочного уголка (с полками шириной 20…250 мм); неравнополочного уголка; двутавровой балки; двутавровой широкополочной балки; швеллера.

 Для изготовления металлических строительных конструкций и сооружений используют прокатные стальные профили: равнополочный  и неравнополочный уголки, швеллер, двутавр, и тавр. В качестве крепёжных  изделий из стали применяют заклёпки, болты, гайки, винты и гвозди. При выполнении строительно-монтажных работ применяют различные способы обработки металлов: механическую, термическую, сварку. К основным способам производства металлических работ относится механическая горячая и холодная обработка металлов.

 При горячей обработке  металлы нагревают до определённых температур, после чего им придают соответствующие формы и размеры в процессе проката, под воздействием ударов молота или давлении пресса.

 Холодную  обработку металлов подразделяют на слесарную и обработку металлов резанием. Слесарная и обработка состоит из следующих технологических операций: разметки, рубки, резки, отливки, сверления, нарезки.

 Обработку металлов, резание осуществляют путём  снятия металлической стружки режущим инструментом (точение, строгание, фрезерование). Её производят на металлорежущих станках.

 Для улучшения строительных качеств  стальных изделий их подвергают термической  обработке – закалке, отпуску, отжигу, нормализации и цементации.

 Закалка заключается в нагреве стальных изделий до температуры, несколько выше критической, некоторой выдержке их при этой температуре и в последующем быстром охлаждении их в воде, масле, масляной эмульсии. Температура нагрева при закалке зависит от содержания в стали углерода. При закалке увеличивается прочность и твёрдость стали.

 Отпуск заключается в нагреве закалённых изделий до 150…670°С (температура отпуска), выделке их при этой температуре (в зависимости от марки стали) и последующем медленном или быстром охлаждении в спокойном воздухе, воде ил в масле. В процессе отпуска повышается вязкость стали, уменьшается внутреннее напряжение в ней и её хрупкость, улучшается её обрабатываемость.

 Отжиг заключается в нагреве стальных изделий до определённой температуры (750…960°С), выдержке их при этой температуре и последующем медленном охлаждении в печи. При отжиге стальных изделий понижается твёрдость стали, также улучшается её обрабатываемость.

 Нормализация - заключается в нагреве стальных изделий до температуры несколько более высокой, чем температура отжига, выдержке их при этой температуре и последующем охлаждении в спокойном воздухе. После нормализации получается сталь с более высокой твёрдостью и мелкозернистой структурой.

 Цементация – это процесс поверхностного науглероживания стали с целью получения у изделий высокой поверхностной твёрдости, износостойкости и повышенной прочности; при этом внутренняя часть стали сохраняет значительную вязкость.  

 Цветные металлы и сплавы.

 К ним  относятся: алюминий и его сплавы – это лёгкий, технологичный, коррозионно- стойкий материал. В чистом виде его используют для изготовления фольги, отливки деталей. Для изготовления алюминиевых изделий используют алюминиевые сплавы – алюминиево-марганцевый,  алюминиево-магниевый…Применяемые в строительстве алюминиевые сплавы при незначительной плотности (2,7…2,9 кг/см³), имеют прочностные характеристики, которые близки к прочностным характеристикам строительных сталей. Изделия из алюминиевых сплавов характеризуются простотой технологии изготовления, хорошим внешним видом, огне- и сейсмостойкостью, антимагнитостью, долговечностью. Такое сочетание строительно-технологических  свойств у алюминиевых сплавов позволяет им конкурировать со сталью. Использование алюминиевых сплавов в ограждающих конструкциях позволяет уменьшить вес стен и кровли в 10…80 раз, сократить трудоёмкость монтажа.

 Медь  и её сплавы. Медь – это тяжёлый цветной металл (плотностью 8,9 г/см³), мягкий и пластичный с высокой тепло- и электропроводностью. В чистом виде медь используют в электрических проводах. В основном медь применяют в сплавах различных видов. Сплав меди с оловом, алюминием, марганцем или никелем называют бронзой. Бронза – это коррозионно-стойкий металл, обладающий высокими механическими свойствами. Применяют её для изготовления санитарно-технической арматуры. Сплав меди с цинком (до 40%) называют латунью. Она обладает высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, хорошо поддаётся горячей и холодной обработке. Её применяют в виде изделий, листов, проволоки, труб.

 Цинк – это коррозионно-стойкий металл, применяемый в качестве антикоррозионного покрытия при оцинковывании стальных изделий в виде кровельной стали, болтов.

 Свинец – это тяжёлый, легкообрабатываемый, коррозионно-стойкий металл, применяемый для зачеканивания швов раструбных труб, герметизации деформационных швов, изготовления специальных труб. 

 Коррозия  металла и защита от неё.

 Воздействие на металлические конструкции и  сооружения окружающей среды приводит к их разрушению, которое называется коррозией. Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется в глубь него, при этом металл теряет блеск, поверхность его становится неровной, изъеденной.

 По  характеру коррозионных разрушений различают сплошную, избирательную  и межкристаллитную коррозию.

 Сплошную  коррозию подразделяют на равномерную и неравномерную. При равномерной коррозии разрушение металла протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности. При неравномерной коррозии разрушение металла протекает с неодинаковой скоростью на различных участках его поверхности.

 Избирательная коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла. Её подразделяют на поверхностную, точечную, сквозную, и коррозию пятнами.

 Межкристаллитная  коррозия проявляется внутри металла, при этом разрушаются связи по границам кристаллов, составляющих металл.

 По  характеру взаимодействия металла  с окружающей средой различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия возникает при действии на металл сухих газов или жидкостей  не электролитов (бензина, масла, смол). Электрохимическая коррозия сопровождается появлением электрического тока, возникающего при действии на металл жидких электролитов (водных растворов солей, кислот, щелочей), влажных газов и воздуха (проводников электричества).

 Для предохранения металлов от коррозии применяют различные способы их защиты: герметизацию металлов от агрессивной среды, уменьшения загрязнённости окружающей среды, обеспечение нормальных температурно-влажностных условий, нанесение долговечных антикоррозионных покрытий. Обычно с целью защиты металлов от коррозии их покрывают лакокрасочными материалами (грунтовками, красками, эмалями, лаками), защищают коррозионно-стойкими тонкими металлическими покрытиями  (оцинковывание, алюминиевые покрытия и др.). Кроме этого, металл от коррозии защищают легированием, т.е. путём плавления его с другим металлом (хром, никель и др.) и неметаллом.