Тема 14. Металеві матеріали та вироби

 

1. Ефективні метали та сплави.

2. Основні метали, які застосовуються у будівництві.

3. Вплив температури, умов навантаження, корозії на роботу металу у конструкції.

 

У будівництві найширше застосовують залізовуглецеві сплави – сталі (до 2,14% С) та чавуни (2,14...6,67% С). Питома вага їх у загальному обсязі металоконструкцій становить 95 – 97%. Чавуни і сталі – це чорні метали. До кольорових відносяться алюміній, магній, цинк та їх сплави.

Метал у будівництві застосовують у вигляді листів, кутиків, двотаврових, швелерних профілів, труб. Зі сталі виготовляють конструкції, форми (опалубку) для залізобетонних конструкцій, армують їх, влаштовують покрівлі, риштовання, огородження.

Для армування залізобетонних конструкцій сталь застосовують у вигляді стержнів, дроту, зварних сіток, каркасів. Арматурна сталь може бути гарячекатаною (стержньова) та холодно тягнутою (дротова). За формою профілю сталь буває гладкою або періодичного профілю. Залежно від механічних властивостей стержньову арматуру поділяють на класи: А-І, А-ІІ, А-ІІІ, А-IV тощо.

 

Рис. 14.1. Арматурна сталь: а – класу А-ІІ; б – класу А-ІІІ; в – дріт періодичного профілю; г – семи дротяне арматурне пасмо (канат)     При позначенні класу термічно зміцненої арматури додають індекс “т”, а зміцненої витягуванням – індекс “в”. Арматурний дріт може бути холоднотягнутим класу В-І (низьковуглецевий) для не напружуваної арматури та В-ІІ – для попередньо напружених конструкцій.

Зростає виробництво легких сталевих конструкцій з економічних профілів прокату, низьколегованих, високоміцних сталей. З алюмінієвих сплавів виготовляють стінові панелі, конструкції кріплень підвісних стель, перегородок, віконні та дверні рами, вітражі, жалюзі тощо. Конструкції з алюмінієвих сплавів мають значно меншу масу від сталевих конструкцій, їх густина 2,7...2,9 т/м³, кращі вогнестійкість, сейсмостійкість, холодостійкість, довговічність.

 

ОСНОВНІ МЕТАЛИ, ЯКІ ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ У БУДІВНИЦТВІ

Вуглецеві сталі

На механічні властивості вуглецевих сталей впливає вміст у них вуглецю. При збільшенні його підвищується міцність, твердість, зносостійкість, проте знижується пластичність і ударна в’язкість, погіршується зварюваність.

Механічні характеристики сталі залежать від форми і товщини прокату. Вуглецеві сталі звичайної якості застосовують без термообробки, вони є марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7. Зі збільшенням номера сталі підвищується вміст у ній вуглецю, зростає міцність, твердість, знижується пластичність та ударна в’язкість.

Конструкційна сталь застосовується таких марок: 05кп, 08кп, 08сп, 08, 10кп, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70 (цифри вказують на вміст вуглецю в сотих частках %). До конструкційних сталей відноситься ще автоматна сталь марок А12, А20, А30, А40.

Інструментальну сталь в будівництві застосовують лише після термообробки – загартування з наступним низьким чи середнім відпуском.

Леговані сталі

Для зміни структури і властивостей сталей вводять легуючі добавки. Легуванням підвищують корозійну стійкість сталей (легуючі елементи – Cu, Si, Cr, Mo, Ni), надають їм стійкості за умов низьких та високих температур, тисків, підвищують міцність, твердість (Si, Mn, Cr, Mo, Ni), в’язкість (V, Co, Ni), зносостійкість (Cr, Mn, Ni). Легуючі елементи позначають літерами: С – кремній, Г – марганець, Х – хром, Н – нікель, М – молібден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюміній, Ч – рідкоземельні метали, Ф – ванадій, Ц – цирконій, Б – ніобій, А – азот, Д – мідь, К – кобальт, П – фосфор. Наприклад, сталь марки 35ХНЗМА – високоякісна сталь, містить 0,35% вуглецю, 1% хрому, 3% нікелю, 1% молібдену.

За хімічним складом леговані сталі поділяють на три класи: низьколеговані із загальним вмістом легуючих елементів до 2,5%, середньо леговані – 2,5 – 10%, високолеговані, які містять понад 10% легуючих елементів. Низьколеговані застосовують для виготовлення будівельних сталевих конструкцій (ферм, мостів, нафто- та газопроводів) та арматури для залізобетонних конструкцій. Попередньо напружені конструкції армують високоміцними середньо та високовуглецевими низьколегованими (марок 45С, 80С, 35ГС, 45ГС, 20ХГ2С, 20Х2Г2Т) сталями у гарячекатаному або термічно зміцненому стані за допомогою загартування та відпускання.

Для будівельних виробів і конструкцій, які експлуатуються у ґрунтових та морських водах чи інших агресивних середовищах, застосовують корозійно стійкі сталі. Найширше застосовуються хромисті нержавіючі та хромонікелеві сталі, в яких головним легуючим елементом є хром, марок 08Х13, 12Х13, 30Х13, 40Х13, 12Х17, 08Х17Т, 14Х17Н2.

Кольорові метали і сплави

Сплави кольорових металів застосовують для виготовлення деталей, що працюють в умовах агресивного середовища, піддаються тертю, повинні мати високу теплопровідність, невелику масу, бути електропровідними.

Мідь – метал, який має високі теплопровідність, пластичність, стійкість щодо атмосферних впливів, міцність до 250МПа.

Латунь – сплав міді з цинком, добре піддається холодному прокатуванню, штампуванню, витягуванню, міцність до 400 МПа.

Бронза – сплав міді з оловом, алюмінієм, марганцем, свинцем. Має хороші ливарні властивості.

Алюміній – легкий метал, стійкий до атмосферної корозії. Алюмінієві сплави – силуміни (ливарні – для відливання виробів), дюралюміни (для прокатування профілів, листів). Застосовують для виготовлення несучих і огороджувальних конструкцій.

 

Термічна обробка металів

Ефективним способом зміни структури металів з метою отримання потрібних властивостей є термічна обробка, яка полягає у нагріванні до проектної температури, витримуванні та охолодженні із заданою швидкістю до певної температури. Процеси термообробки поділяють на загартування (нагрівання металів до температури не нижче критичних точок, наступному витримуванню та швидкому охолодженню), відпалювання (повільне охолодження під шаром піску, попелу, шлаку для зменшення твердості, підвищення пластичності, в’язкості, здатності до обробки), відпускання (для усунення внутрішніх напружень, що виникають при загартуванні сплавів, досягнення найкращої комбінації міцності і пластичності), нормалізацію (для зниження пластичності збільшення твердості); термомеханічну обробку при комбінованій дії теплоти і пластичного деформування; фізико-термічну обробку при поєднанні дії теплоти та зміни хімічного складу металу.

 

Обробка металів тиском

Обробку металів тиском здійснюють прокатуванням, волочінням, пресуванням, куванням, штампуванням. Ці способи ґрунтуються на використанні пластичної деформації холодного чи нагрітого металу під дією валків, штампів, бойків тощо. Обробка металів у холодному стані приводить до наклепу – підвищенню границі міцності та твердості при зниженні пластичної та ударної в’язкості. Опір металів деформуванню зростає при збільшенні швидкості деформації.

Прокатування – обробка металів тиском, при якій деформація здійснюється стисканням між циліндрами (валками) прокатного стану, що обертаються. За цим способом отримують прокатні профілі.

Волочіння – обробка металів тиском протягуванням дроту, прутка або труби крізь отвір матриці з перерізом, меншим за вихідний переріз заготовки. За допомогою волочіння вироби набувають заданої геометричної форми, точних розмірів, чистої поверхні. Волочіння здійснюють переважно у холодному стані на спеціальних волочильних станках.

Пресування – продавлювання пластичних матеріалів, що містяться в контейнері, крізь вихідний отвір матриці. Застосовують для виготовлення різних профілів із кольорових металів, рідше зі сталі.

Кування та штампування – процеси обтиснення металевої заготовки з метою отримання виробів заданої форми між двома бійками та у штампах.

Корозія металів та способи захисті від неї

Корозія – хімічне або електрохімічне руйнування металів під дією навколишнього середовища. Для захисту металу від корозії застосовують методи: легування сталі, гальванізацію (на поверхню виробу електролітичним осадженням з розчинів солей металів наносять тонкий шар металу, який протидіє корозії), металізацію (покриття поверхні деталі розплавленим металом, розпиленим стиснутим повітрям), оксидування (захист оксидними плівками), фосфатування (на поверхні виробу утворюється плівка з нерозчинних солей заліза або марганцю внаслідок занурення металу у гарячі розчини кислих фосфатів заліза або марганцю), лакофарбові покриття (механічний захист металу плівкою з різних лаків, емалей та фарб) тощо.