Состав, структура и свойства металлов

В твердом состоянии все металлы, металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов, образующих правильную кристаллическую решетку. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллические материалы от аморфных (стекло), в которых атомы расположены беспорядочно. Число атомов в различных сечениях кристаллической решетки неодинаково, поэтому механические, электрические и другие свойства металлов в разных направлениях различны. Это явление называют анизотропией, а материалы – анизотропными.

Металлы, используемые в технике, состоят из большого числа кристаллов правильной и неправильной формы, которые называют зернами или кристаллитами. В 1 см³ металлических изделий (например, стального проката) содержатся десятки тысяч кристаллитов. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Кроме того, даже в химически чистом металле содержатся примеси инородных атомов, которые искажают кристаллическую решетку. Все эти нарушения строения приводят, прежде всего, к значительному снижению реальной прочности. Например, теоретическая прочность железа равна 1400 МПа, в то время как практическая не превышает 300 МПа.

Металлы способны при нагревании, приводящем к разрушению кристаллической решетки, переходить в вязкопластичное состояние, а при охлаждении расплава – в кристаллическое. Такой переход происходит при строго определенной температуре, которую называют температурой плавления или кристаллизации. Некоторые металлы (железо, олово и др.) способны при повышении температуры изменять форму и расположение кристаллов в твердом состоянии. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в решетке называется аллотропией. Ряд металлов способны образовывать сплавы – сложные по составу соединения, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. В строительстве наибольшее применение нашли сплавы меди, алюминия, а также чугун, сталь, представляющие собой соединения железа и углерода.

Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и микроструктуры. Впервые эту зависимость, которую широко используют на практике, установил академик Н.С. Курнаков (1880 – 1941). Как правило, чем выше температура плавления металла или сплава, тем больше его прочность, лучше тепло- и электропроводность. Для получения сплавов с заданными свойствами, а также оценки надежности работы металлических конструкций применяют макроскопический и микроскопический анализы: макроскопический проводят невооруженным глазом или используют лупу с увеличением до 30 раз на специально подготовленных образцах; микроскопический анализ заключается в исследовании структуры и состава металлов и сплавов при помощи специальных оптических и электронных микроскопов, где увеличение может достигать 3000 раз и более.

Механические свойства металлов зависят от вида нагрузки, условий ее действия, температуры окружающей среды. Прочностные характеристики определяют испытанием стандартных образцов или самих изделий на специальных машинах. Режим испытания может быть статическим – нагрузка на образец увеличивается постепенно (определение прочности на сжатие, изгиб, разрыв), динамическим – нагрузка на образец действует мгновенно (испытание на удар), и повторно-переменным – нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению (испытание на усталость). Металлы испытывают на растяжение, сжатие, кручение, удар, усталость, твердость, ползучесть при комнатной, низких и высоких температурах.

Испытание на растяжение проводят с использованием разрывных машин. По величинам растягивающих нагрузок и соответствующим удлинениям образца вычерчивают диаграмму растяжения, характеризующую поведение металла или сплава под нагрузкой до момента разрушения. Для испытания на удар используют маятниковый копер, которыйпозволяет определить способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявить его склонность к хрупкому разрушению при различных температурах. Испытанием на усталость оценивают возможность работы металлов (сплава) при действии многократных нагрузок, изменяющихся по величине и знаку. Способность металлов выдерживать большое число циклов испытаний называют выносливостью. Испытания проводят на цилиндрических образцах путем воздействия на них при вращении изгибающих нагрузок, которые вызывают знакопеременные напряжения, и доводят образец до разрушения.

Для определения твердости на практике применяют различные способы, основанные на внедрении в металлическую поверхность наконечника, выполненного из особо твердого материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир) и имеющего правильную форму в виде шарика, конуса или пирамиды. Наибольшее распространение получил метод Бринелля, основанный на расчете твердости по диаметру отпечатка вдавливаемого в поверхность металлического шарика определенной массы и диаметра. Условия испытания ограничивают величину и время действия прилагаемой нагрузки.

При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделяют исследованию процессов их разрушения при действии газообразных и жидких сред в условиях обычной и высоких температур. Важность этих работ подчеркивает тот факт, что ежегодно 30 % производимого металла идет на восстановление потерь от коррозии, из них 10 % теряется безвозвратно.

Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь. Интенсивность коррозионного разрушения зависит в основном от трех факторов: первый – химический состав и микроструктура металла или сплава; второй – химический состав окружающей среды и процентное содержание в ней агрессивных веществ (кислорода, кислот, щелочей); третий – температура окружающей среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозия может быть химической и электрохимической.

Поверхностное разрушение металла под действием газов при высокой температуре или органических жидкостей (спирта, бензина, нефти, мазута и т.п.) называют химической коррозией. Примером химической коррозии является процесс окисления при высоких температурах металлической арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин.

Электрохимическая коррозия металлических изделий происходит в различных водных растворах, проводящих электрический ток. Это наиболее распространенный вид коррозии. Она наблюдается в атмосферных условиях, на море, в земле, грунтовых водах, в растворах различных кислот и солей. Значительная часть строительных металлических конструкций и изделий (каркасы и крыши зданий, фермы мостов, арматура в железобетоне) подвержена электрохимической коррозии. Сущность процесса электрохимической коррозии заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, при контакте с электролитом переходят в раствор в форме ионов, вызывая разрушение металла.

Существует несколько видов коррозионных разрушений: равномерное, протекающее по всей поверхности с одинаковой скоростью; неравномерное – сплошное, скорость которого на отдельных участках зависитот структуры сплава и наличия дефектов на поверхности изделий; местное или локальное, наблюдаемое на отдельных участках поверхности металла (сплава).

Одним из способов предотвращения коррозии является ликвидация вызывающих ее условий: неоднородность строения, наличие дефектов на поверхности изделий, неравномерность освещенности и теплового нагрева. Кроме того, для борьбы с коррозией применяют специальные методы защиты: введение в состав легирующих добавок, электрохимическая защита (анодная или катодная), обработка коррозионной среды и защитные покрытия. Защитные действия легирующих добавок –Си, А1, Тi, V, Сr, Ni, Со и др., которые вводят для изменения структуры и свойств металлов, обусловлены или образованием на поверхности изделий коррозионностойких оксидных пленок, или созданием сплавов, обладающих высокой стойкостью к агрессивным средам.

Для надежной и долговечной защиты металлических конструкций, стальных закладных деталей, используемых при производстве сборного железобетона, все чаще применяют металлические покрытия, которые наносят гальваническим и горячим способами, металлизацией, плакированием. При гальваническом способе путем электролитического осаждения из раствора солей создается тонкий защитный слой какого-либо металла на поверхности изделия. В качестве примера можно привести оцинкование закладных деталей для железобетонных конструкций. При горячем способе изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец). Металлизация является распространенным способом защиты в строительстве. Она состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла (цинк, алюминий) на поверхность защищаемого от коррозии металлического изделия или конструкции. Еще одним вариантом защиты металлических покрытий от коррозии является плакирование.

Плакирование – термомеханический метод получения двух- и многослойных металлов (биметаллов), прочно соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Металлургическими заводами организовано производство листа, проволоки, труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием.

Защиту от коррозии несущих и ограждающих металлоконструкций в условиях строительно-монтажной площадки производят лакокрасочными составами на основе битумов, полимеров и других материалов. Это направление является приоритетным в настоящее время, так как при наименьших энергозатратах можно получить надежное долговечное покрытие. К применяемым составам относятся цинкосодержащие, термореактивные краски на основе высокомолекулярных смол (эпоксидных, полиэфирных). Последние наносят на поверхность металлических изделий и конструкций в электрическом поле при помощи пистолета-распылителя с расположенным внутри источником высокого напряжения. Их преимущество заключается в отсутствии токсичных растворителей, возможности применения безотходной технологии нанесения, отсутствии грунтового слоя и высоком качестве оплавленного, плотного покрытия, обладающего повышенной ударной прочностью, коррозионной стойкостью, адгезией к защищаемой поверхности. В зависимости от назначения оно может быть тонкослойным и фактурным, толщиной от менее 1 мкм до 20 мкм и более. Оптимальный вариант защиты выбирают в зависимости от материала конструкции, степени агрессивного воздействия на него и технико-экономической целесообразности. При необходимости обеспечения особенно надежной и долговечной защиты стальных конструкций применяют комбинированные покрытия, например, металлические и лакокрасочные.

Снизить разрушающее действие коррозионной среды на металлы и сплавы можно также путем введения в ее состав специальных добавок – ингибиторов, замедляющих процесс коррозии.

К разрушающим факторам относится также действие на металлические изделия и конструкции огня. Под действием открытого пламени и высокой температуры металлы размягчаются, деформируются и растрескиваются.

Незащищенные стальные конструкции в зависимости от толщины элементов, сечения и действующих напряжений имеют предел огнестойкости 0,1 – 0,44 часа. При действии огня несущая способность металлических конструкций снижается вследствие уменьшения при нагревании прочности и упругости металла, а также за счет появления пластических, температурных деформаций. Металлы являются несгораемыми материалами, но обладают высокой теплопроводностью, поэтому их огнезащита заключается в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, обеспечивающих высокую сопротивляемость действию огня и высоких температур. Традиционными средствами огнезащиты металлических конструкций являются тяжелые и легкие бетоны, кирпич, цементно-песчаные штукатурки. Эти материалы могут создать практически любой предел огнестойкости конструкций. Так для обеспечения предела огнестойкости стальной конструкции, равного 2 часам, необходим слой тяжелого бетона или гипса толщиной 60 мм, штукатурки –
50 – 60 мм, кирпича – 65 мм.

В последние годы все большее применение находят теплоизоляционные штукатурки и огнезащитные покрытия на основе глины, жидкого стекла, гипса с использованием в качестве огнестойких заполнителей и наполнителей вспученного перлита, вермикулита, асбеста и минерального каолинового волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами. Составы наносят на поверхность металлоконструкций пистолетом-распылителем. В зависимости от требуемой огнезащиты (45 – 150 мин) и толщины металла в конструкции толщина защитного слоя составляет от
8 до 40 мм.

Одним из перспективных средств огнезащитыявляются вспучивающиеся краски, состоящие, например, из растворителя, акрилового полимера и пенообразующего антипирена, которые наносят на поверхность металлоконструкций тонким слоем (1 – 1,2 мм). При температуре около 170 °С краска вспучивается, образуя пористый термоизоляционный слой, толщина которого составляет несколько сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности вспененная масса предотвращает быстрый нагрев металла, увеличивая огнестойкость до 1 часа. Кроме того, для огнезащиты металлических конструкций используют плитные и листовые теплоизоляционные материалы в виде асбестоцементных и асбестогипсовых облицовочных плит, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов.

Как показала практика эксплуатации, причиной разрушения металлических конструкций может быть также накопление на их поверхности продуктов жизнедеятельности микроорганизмов: органических кислот, сульфидов, сероводорода, аммиака – биологическая коррозия. Для защиты металлоконструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе каменноугольной, эпоксидной, поливинилхлоридной смол с введением в состав эффективных биоцидных добавок.