| |||||
МЕНЮ
| Металлические материалыМеталлические материалыМинистерство образования РФ Пензенский Государственный Университет Архитектуры и Строительства Реферат Металлические материалы Выполнил: ст. гр. АДА-21 Егурнов Н.Г. Проверил: Козлов Ю.Д. Пенза, 2003 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 2 ВВЕДЕНИЕ Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.[1, стр. 4] Термин «металл» произошёл от греческого слова mйtallon (от metallйu? –
выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники В конце 19 – начале 20 вв. получила физико-химическую основу
металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же
началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от
состава и строения [3, стр. 133]. Классические труды «отца металлографии» Д. К. Чернова развивали
выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур
железоуглеродистых сплавов было сделано А. А. Ржешотарским(1898). КЛАССИФИКАЦИЯ. В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Рис. 1. Классификация металлов и сплавов. Более подробно рассмотрим классификацию стали. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода (рис. 2). При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость. Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы –
красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание
фосфора 0,04...0,09 %, а серы 0.04..Д07 %. Вредное влияние на свойства
стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение
стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в
количестве 0,8...1 % не оказывают практически влияния на механические
свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных
конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25 %. [pic] Рис. 2. Влияние углерода на механические свойства отожженных сталей. При обозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым
сталь поставляется («А» – по механическим свойствам, «Б» – по химическому
составу, «B» – по механическим свойствам и дополнительным требованиям по
химическому составу); методу производства («М» – мартеновский, «Б» –
бессемеровский, «K» – кислородно-конвертерный); дополнительные индексы Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки. В таблице 1 приведены нормы на механические свойства стали углеродистой обыкновенного качества (группа А). Таблица 1. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Примечание: В стали марок Ст3Гпс и Ст5Гпс повышенное содержание марганца. [2, стр.318-320] Сталь углеродистая качественная конструкционная. Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая). В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: Таблица 2. Сталь углеродистая качественная по ГОСТ 2050-74 * Механические свойства после закалки и отпуска. Примечание: В таблице приведены только некоторые марки сталей. Инструментальные качественные углеродистые стали предназначены для
изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших
размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей
содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,..., У13). Сталь легированная. При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас3, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения и снижается опасность появления закалочных трещин. Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре. По назначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особыми физико-химическими свойствами. Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система. По химическому составу легированные стали делят на три класса:
низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %;
среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после
нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная,
аустенитная, феррит-ная и карбидная (ледебуритная). Большинство
конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного
класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства. Основным преимуществом легированных сталей по, сравнению со сталью марки СтЗ является их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии. [2, стр. 321-323] СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры
с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. [pic] Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг
от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа
эти расстояния 28,4 нм (?=Fe) и 36,3 нм (? = Fe). Большинство металлов
имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью. Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку. Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: ?-Fe; ?-Fe, ?-Fe, ?-Fe. Практическое значение имеют ? -Fe и ? -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для ?-Fe характерно отсутствие магнитных свойств. [pic] Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа Температура, при которой происходит переход металла из одного
аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих
температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают
неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами. Структура. Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами. Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов или нового химического соединения и механические смеси. Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности. Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента
рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может
замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без
образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому. Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и
температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 5). Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие. Феррит – твердый раствор углерода в ? -Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует. Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 Аустенит – твердый раствор углерода в ? –Fe. Атомы углерода внедряются
в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в
зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой
температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. [pic] Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:
а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита; Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при
распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок. Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3С. Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода. Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем
температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия: При содержании углерода 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). 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 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 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 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 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. Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят
обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. 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: 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 Дюралюмины— сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием 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 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. ----------------------- |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|