Металлические материалы и изделия

Металлические материалы — вид конструкционных искусственных материалов, широко используемых во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в строительстве.

К металлам относится значительная группа химических элементов — из 109 известных 82 являются металлами. Наиболее распространены: алюминий (А1) — в земной коре содержится 8,8 %, железо (Fe) — 5,1 %, кальций (Са) — 3,62 %, магний (Mg) — 2 %.

Остальные металлы (титан, натрий, цинк, олово, никель, свинец, кобальт, вольфрам, молибден, ванадий) содержатся в земной коре в малом количестве. Они не используются как конструкционные материалы, но имеют большое значение при получении сплавов.

В зависимости от состава и свойств металлические материалы подразделяются на два класса:

1) материалы из черных металлов — железо и его сплавы, обладающие в зависимости от вида и количества примесей (углерода, марганца, никеля, хрома, титана и др.) различными свойствами. Черные металлы составляют 85...90 % всех металлов, применяемых в народном хозяйстве;

2) материалы из цветных металлов — медь, свинец, цинк, алюминий, магний, олово и др., а также их сплавы.

Не окисляющиеся на воздухе металлы (золото, серебро, платина) называются благородными.

В строительстве главным образом используют черные металлы (сталь, чугун); в машино- и приборостроении, наряду с черными металлами, широко применяются цветные.

Для получения металлов используют руды, т.е. горные породы, содержащие металлы или их оксиды и гидраты оксидов. Различают руды металлические (железные, медные, свинцовые, цинковые и др.) и неметаллические (мышьяковые, баритовые, асбестовые и др.).

Чистое железо в природных условиях не встречается. Получаемое промышленное железо также не является химически чистым, а представляет собой сплав с углеродом и другими химическими элементами. В зависимости от содержания углерода сплавы делятся на две группы: стали (до 2,14 %) и чугуны (свыше 2,14 %). Сталь — ковкий железоуглеродистый сплав. Это один из основных конструкционных строительных материалов. Из нее изготовляют строительные конструкции, трубопроводы, арматуру для железобетона.

В зависимости от входящих в сплав химических элементов, стали бывают углеродистыми и легированными.

Углеродистая сталь, кроме железа и углерода, содержит до 1 % марганца, до 0,4 % кремния, а также примеси серы и фосфора. Если количество примесей не превышает заданного верхнего предела, то стали называют нормальными.

Легированные стали — стали, в которые вводятся в небольшом количестве легирующие элементы: хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, азот, алюминий, медь и др. Легирование повышает прочность стали, что позволяет уменьшить расход металла. Так, например, легирование стали марганцем позволяет сэкономить 15 % металла, поскольку при этом существенно повышается предел текучести (350 МПа у легированной стали против 240 МПа у углеродистой).

Поскольку в строительстве очень широко используется сварка, одним из основных требований, предъявляемых к строительным сталям, является их свариваемость, т.е. способность образовывать качественный, не содержащий трещин шов. Свариваемость ухудшается с увеличением содержания углерода, так как углерод делает сталь хрупкой, что увеличивает вероятность образования трещин в процессе сварки. Поэтому к строительным относятся главным образом малоуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,1...0,25 %) марок СтО, Ст1, Ст2, СтЗ. Эти стали поставляются в горячекатаном состоянии и широко используются при строительстве мостов, газо- и нефтепроводов, различных ферм и т.д. В том случае, если сварка не производится, могут использоваться стали с более высоким содержанием углерода, а следовательно, с более высокими прочностными свойствами.

Чугун — это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,14...6,67 %. В состав чугуна входят марганец, сера, кремний и фосфор. Основная масса чугуна идет на производство стали. Кроме того, его применяют как самостоятельный конструкционный материал.

В зависимости от формы связи углерода в сплаве различают белый и серый чугун.

Белый чугун содержит углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C. Этот чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью.

В результате отжига отливок из белого чугуна получают ковкий чугун, где углерод приобретает форму хлопьевидного графита. Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, затем ставят числа, показывающие значение временного сопротивления (в кгс/мм2) и величину относительного удлинения (в %): КЧ 30-6, КЧ 60-3 и т.п.

Белый чугун хорошо сопротивляется износу, но плохо поддается обработке режущим инструментом. Белый чугун используется для получения ковкого чугуна и в строительстве применяется мало.

Серый чугун характеризуется тем, что углерод в нем находится в свободном состоянии — в виде пластинчатого или волокнистого графита. Такой чугун маркируют буквами СЧ и цифрами, показывающими гарантируемое значение временного сопротивления (в кгс/мм2): СЧ 15, СЧ 25, СЧ 35, СЧ 5. Для стальных конструкций в качестве опор применяются отливки из серого чугуна марок СЧ 15, СЧ 25, СЧ 30.