Понятие о металлах и сплавах как важнейших строительных материалах. Краткая классификация сплавов и металлов, применяемых в строительстве.

Металлы – это кристаллические вещества, характеризующиеся рядом специфических свойств такими, как электо-теплопроводность, блеск, способность хорошо отражать электромагнитные волны, высокие технологические свойства. Свойства металлов обусловлены их строением: в кристаллической решетке имеются свободные электроны, которые могут свободно перемещаться. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы. В технике применяют, как правило, не чистые металлы, а сплавы, т.к. они обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью, лучше подаются разным видам обработки.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов с неметаллами. Составляющие сплавов называются компонентами. Различают следующие виды сплавов:

– механические смеси, состоящие из смеси кристаллов компонентов;

– однородные растворы, полученные при затвердевании расплавов;

– химические соединения, образовавшиеся при химическом взаимодействии компонентов.

Характерными физическими свойствами металлов являются: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании. К химическим свойствам относятся: окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность и другие. Основные механические свойства: прочность на растяжение, твердость, ударная вязкость, усталость и т.д

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные. Черные металлы (чугун и сталь) – это сплавы железа с углеродом. В стали содержание углерода составляет до 2,14%, в чугуне – 2,14…6,67%. Цаетные металлы делят по плотности на легкие (ρ<3 г/см³) и тяжелые (ρ>3 г/см³). Наибольшее применение в строительстве получили стали. Это каркасы промышленных и гражданских зданий, конструкций мостов, эстакад, труб и др. сооружений, арматура для железобетона. В современном строительстве расширяется область применения цветных металлов – это конструкции из алюминиевых сплавов, архитектурно-строительные детали, обладающие высокой коррозионной стойкостью и декоративностью. По назначению металлы делят на конструкционные, инструментальные, специальные.

Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия металлов. Строение реальных кристаллов, влияние дислокаций и др. несовершенства внутреннего строения на их свойства.

Металлы имеют кристаллическое строение, при затвердевании они образуют геометрически правильные системы – кристаллические решетки различных модификаций (рис 8.1).

В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, 2 в центре оснований и 3 внутри призмы), например хром, вольфрам

В объемно-центрированной решетке находится 9 атомов (8 в вершинах куба и 1 в центре), например медь

В кубической гранецентрированной решетке 14 атомов (8 в вершинах куба и по 1 в центре каждой грани), например, магний, цинк.

   

Рис. 8.1. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток

 металлов: а-объемноценрированая кубическая; б-гранецентрированная

 кубическая; в-гексагональная

Процесс кристаллизации имеет некоторые особенности. Атомы металлов являются положительно заряженными ионами, которые непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, кристаллы расширяются, а при температуре плавления колебания настолько усиливаются, что кристаллическая решетка разрушается.

Кристаллы анизотропны, имеют неодинаковые свойства по разным направлениям, что объясняется различным числом атомов решетки в разных сечениях. Анизотропия - зависимость свойств вещества от направления.

Анизотропия является следствием того, что в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между атомами и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов. Не все свойства в кристаллах анизотропны. Некоторые свойства, такие как, например, плотность и удельная теплоемкость, изотропны и не зависят от направления.

Дислокации - дефекты кристаллической решетки, представляющие собой линии, вдоль которых нарушено правильное чередование атомных плоскостей. Дислокации определяют структурно-чувствительные свойства кристаллов (прочность, пластичность и др.). Простейшие дислокации — краевая и винтовая, возможны смешанные дислокации.

Так как дислокация — это нарушение правильности структуры вдоль некоторой линии, то она не может оборваться внутри кристалла, а должна либо выходить на поверхность кристалла, либо разветвляться на другие дислокации, либо образовывать внутри кристалла замкнутую петлю. Пластическая деформация кристалла обусловлена движением дислокации. Дислокации оказывают большое влияние на прочностные характеристики металла. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации выше ρ_Dкр объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. В акт пластической деформации будут вовлекаться все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится.