дислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится
существенно неоднородным. На 3-й стадии плотность дислокации, G и
коэффициент упрочнения уменьшаются вследствие аннигиляции дислокаций,
выдавливаемых из их плоскостей скольжения. Значение этой стадии больше для
металлов с объемно-центрированной решёткой.
При Т > 0,5 Тпл в пластической деформации начинают играть существенную
роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на
дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот
процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением:
металл течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть).
Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка
дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металлов при их
горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металлов
разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металлов
нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций
внутри зёрен (рекристаллизация).
Достижимые степени деформации металлов ограничены процессом
разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации
растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации
напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов
разрушения – трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений
имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей,
частицы др. фаз и т.п.). Но вследствие пластичности металла деформация
вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако
если сопротивление движению дислокаций растёт, то релаксационная
способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин
(хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в металлах с объёмно-
центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается
при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения
числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения). Предотвращение
хладноломкости – одна из важнейших технических проблем разработки
конструкционных металлических материалов. Другая актуальная проблема –
увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах.
Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в
результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения
высокотемпературной прочности – уменьшение диффузионной подвижности
точечных дефектов, в частности легированием.
Применяемые в технике конструкционные металлические материалы являются
поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и
могут существенно отличаться от свойств монокристаллов металлов. Межфазные
границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С другой стороны, они
могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение)
или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и
пространственное расположение отдельных структурных составляющих
многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих
вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а
также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно
получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для
практического использования металлических материалов. [3, стр. 133-136].
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
Сталь.
В строительстве сталь используют для изготовления конструкций,
армирования железобетонных конструкций, устройства кровли, подмостей,
ограждений, форм железобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки стали
обеспечивает экономный расход стали и успешную работу конструкции.
Для изготовления несущих (расчетных) сварных и клепаных конструкций
рекомендуют следующие виды сталей: мартеновскую – марок ВМСтЗпс (сп, кп),
низколегированную – марок 15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД; природно-легированную
– марок 15ХСНД, 10ХСНД; кислородно-конвертерную – марок ВКСтЗсп (пс, кп).
Стали марок Ст4 и Ст5 рекомендуют для конструкций, не имеющих сварных
соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические
нагрузки.
Сталь для конструкций, работающих на динамические и вибрационные
нагрузки и предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур,
должна дополнительно проверяться на ударную вязкость при отрицательных
температурах.
К стали для мостовых конструкций предъявляют специальные требования
(ГОСТ 6713-75) по однородности и мелкозернистости, отсутствию внешних
дефектов, прочностным и деформационным свойствам.
Для армирования железобетонных конструкций сталь применяют в виде
стержней, проволоки, сварных сеток, каркасов. Арматурная сталь может быть
горячекатаная (стержневая) и холоднотянутая (проволочная). По форме сталь
чаще всего бывает круглая, а для улучшения сцепления – периодического
профиля. В отдельных случаях для повышения механических свойств сталь
обрабатывают наклепом и применяют термическую обработку.
Стержневую арматуру в зависимости от механических свойств делят на
классы: A-I, A-II, A-III, A-IV и др. При обозначении класса термически
упрочненной арматурной стали добавляют индекс «т» (например, Ат-III),
упрочненную вытяжкой – «в» (например, А-Шв).
Арматурная проволока может быть холоднотянутой класса B-I
(низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса В-II (углеродистой)
для напрягаемой арматуры. Для обычного армирования преимущественно
применяют арматурную сталь классов A-III (марок 25Г2С, 35ГС и др.), А-II
(марок Ст5) и обыкновенную арматурную проволоку, а при особом обосновании
также A-I (марки СтЗ) и А-IIв. Для предварительно напряженного армирования
используют высокопрочную проволоку, арматурные пряди и арматуру класса A-IV
(марок ЗОХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц и другие низколегированные стали), а также
упрочненную вытяжкой сталь класса А-IIIв (марок 35ГС, 25Г2С).
Сортамент прокатного металла и металлоизделий в строительстве
разнообразен: сортовая сталь, прокатная сталь листовая, уголки, швеллеры,
двутавры, трубы и другие служат основой для изготовления металлических
конструкций (балки, колонны, фермы и т.д.). На сортаменты имеются ГОСТы
наиболее рациональных типов профилей и частоты их градаций.
Сортовая сталь: круглая (диаметром 10...210 мм) применяется для
изготовления арматуры, скоб, болтов; квадратная (сторона квадрата 10...100
мм); полосовая (шириной 12...20 мм) – для изготовления связей, хомутов,
бугелей.
Сталь листовая включает листы толщиной от 4…160 мм, шириной 600...3800
мм; тонколистовая кровельная – черная и оцинкованная толщиной до 4 мм;
широкополочная толщиной 6...60 мм, шириной 200...1500 мм, длиной 5...12 м.
Уголковые профили (равнополочные и неравнополочные) выпускают площадью
сечения 1,0...140 см2.
Швеллеры характеризуются сечением швеллеров и определяются его
номером, который соответствует высоте стенки швеллера в сантиметрах.
Двутавры – основной балочный профиль – разнообразны по типам;
обозначаются номером, соответствующим их высоте в сантиметрах. Трубы
круглые имеют диаметр 8... …1620 мм. Трубы могут быть квадратного и
прямоугольного сечения.
В строительстве также широко применяют специальные профили и
металлические материалы: стальные канаты и проволоку, профилированные
настилы и т.д. [2, стр. 323-325]
Чугуны.
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 %.
углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь,
но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько
видов чугуна.
Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном
состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие
твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую
обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для
получения серого и ковкого чугуна и стали.
Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не
более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в
виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом
темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате
термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на
мягкое пластичное железо и графит. В зависимости от преобладающей структуры
различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.
Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия
некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется
графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную
твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун,
применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении
не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.
Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на
сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи,
трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные
детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие
детали.
Ковкий чугун получают после длительного отжига % белого чугуна при
высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с
выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе.
Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны
являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.
Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят
обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами.
Их применяют для отливок ответственных деталей.
При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел
прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна –
предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.
При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28,
первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие
две – предел прочности при изгибе. [2, стр. 325-326]
Цветные металлы и сплавы.
Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих
в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой
теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.
Медь – металл красноватого цвета, отличающийся высокой
теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Прочность
невысокая: ?в = 180...240 МПа при высокой пластичности ?>50%.
Латунь – сплав меди с цинком (10...40 %), хорошо поддается холодной
прокатке, штамповке, вытягиванию ?в=250...400 МПа, ?=35...15%. При
маркировке латуней (Л96, Л90, ..., Л62) цифры указывают на содержание меди
в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т.е. с другими
элементами (Мn, Sn.Pb.Al).
Бронза – сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и
другими элементами. Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны,
люстры). При маркировке бронзы Бр.ОЦСЗ-12-5 отдельные индексы обозначают:
Бр – бронза, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, цифры 3, 12, 5 – содержание в
процентах олова цинка, свинца. Свойства бронзы зависят от состава:
?в=150...2Ю МПа, ?=4...8%, НВ60 (в среднем).
Алюминий – легкий серебристый металл, обладающий низкой прочностью при
растяжении – ?в =80...100 МПа, твердостью – НВ20, малой плотностью – 2700
кг/м3, стоек к атмосферной коррозии. В чистом виде в строительстве
применяют редко (краски, газообразователи, фольга). Для повышения прочности
в него вводят легирующие добавки (Мn, Сn, Mg, Si, Fe) и используют
некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные,
применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины),
идущие для прокатки профилей, листов и т.п.
Силумины – сплавы алюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими
литейными качествами, малой усадкой, прочностью ?в = 200 МПа, твердостью
НВ50...70 при достаточно высокой пластичности ?=5...10%. Механические
свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При
этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность
и пластичность силуминов.
Дюралюмины— сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием
(менее 0,8 %), марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства
улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500...520°С с
последующим старением). Старение осуществляют на воздухе в течение 4...5
сут при нагреве на 170СС в течение 4...5 ч.
Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с
выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем
мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел
прочности дюралюминов после закалки и старения составляет 400...480 МПа и
может быть повышен до 550...600 МПа в результате наклепа при обработке
давлением.
В последнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в
строительстве для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно
применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в
сборно-разборных конструкциях, при сейсмическом строительстве, в
конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Начато
изготовление трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с
заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей
можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью
100...300 кг/м3. йг
Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, но она осуществляется более
трудно, чем сварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов Аl2О3.
Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое
значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние
температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и
увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах);
повышенный примерно в 2 раза по сравнению со сталью коэффициент линейного
расширения; пониженная свариваемость.
Титан за последнее время начал применяться в разных отраслях техники
благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей
плотности (4500 кг/м3) по сравнению со сталью, высоким прочностным
свойствам, повышенной теплостойкости. На основе титана создаются легкие и
прочные конструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при
повышенных температурах. [2, стр.326-328]
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология металлов и сварка. Под ред. П.И. Полухина. М. Высшая
школа. 1977.
2. Строительные материалы. А.Г. Домокеев. М. Высшая школа. 1989
3. Большая советская энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. М. изд.
«Советская энциклопедия». 1974.
-----------------------
[pic]
Страницы: 1, 2, 3, 4
|