книги из ГПНТБ / Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник

цементационного слоя изделия подвергают в дальнейшем термичес­ кой обработке — закалке и отпуску. Задача цементации — получить твердую поверхность при вязкой сердцевине.

Упругая и пластическая деформация стали. Сталь под воздей­ ствием внешних усилий изменяет свою первоначальную форму (деформируется), приобретая новые свойства. Деформация сталь­ ного образца будет упругой, если после удаления внешних усилий он принимает первоначальную форму, и пластической, или оста­ точной, если форма его при тех же условиях не восстанавливается. При этом в местах деформации сталь упрочняется, но теряет пла­ стичность.

Одним из видов упрочнения стали под воздействием внешних сил в холодном состоянии является наклеп. Повышение прочности наклепанной стали объясняется образованием уплотненных поверх­ ностей сдвига, а также дроблением кристаллов, повышающих сопротивление деформации стали. При дальнейшем повышении деформирующих усилий, превышающих предел прочности, сталь разрушается. Наклеп используют для улучшения свойств ста­ лей с пониженным пределом текучести; отжигом наклеп ликви­ дируется.

Изменение свойств металла во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающих замедленно при комнатной темпе­ ратуре и более интенсивно при повышенной, называется старением металла.

В обычной углеродистой стали процесс старения происходит медленно и выявляется лишь в таких сооружениях, как мостовые фермы через 70—100 лет. Добавляя в металлический сплав алю­ миний, ванадий, титан, хром и другие вещества, процесс старения можно замедлить.

Изготовление стальных изделий давлением. Для изготовления стальных изделий давлением используют способность металла изменять форму при пластических деформациях. При этом изме­ няется не только форма металла, но и его структура, а значит, и свойства.

Форму металла изменяют прокаткой, волочением, ковкой, штам­ повкой, прессованием, гибкой, взрывом.

Подготовка стальных слитков к изготовлению сортовой стали заключается в предварительном нагревании их в методических пе­ чах или нагревательных колодцах.

Прокатка основана на пластическом свойстве стали изменять свою форму без разрушения под действием внешнего давления. Применяют горячую и холодную прокатку. Углеродистые стали прокатывают в интервале температур 800—1200° С на прокатных станах между вращающимися валками.

Из сталей различного качества и состава изготовляют профили, являющиеся элементами сварных или клепаных строительных кон­ струкций.

В строительных конструкциях наибольшее применение имеют листовая, сортовая, фасонная стали.

■ 1

Рис. 30. Сортамент сталей:

К числу сортовых сталей относят круглую, квадратную, поло­ совую, широкополосную, тонколистовую, толстолистовую, волни­ стую, угловую, двутавровую, швеллер, периодического профиля (арматурная сталь) и др. (рис. 30).

Прокаткой и штамповкой изготовляют также специальные про­ фили, применяемые для оборудования подвижного транспорта, оконные профили для промышленного строительства и др. Для строительной промышленности особое значение имеет изготовление рациональных облегченных профилей (рис. 31).

Волочение — это протягивание холодного металла через гла­ зок протяжного стана. Холодное волочение снижает вязкость ме­ талла и его пластичность. Для повышения пластичности тянутый металл подвергают отжигу, а для снятия окалины травят серной кислотой с последующей промывкой в щелочном растворе.

Волочением получают калиброванные и некалиброванные ме­ таллические стержни и проволоку с круглой или другой формой сечения, которые служат готовыми деталями в строительстве и

машиностроении или ма­ териалом для изготовле­ ния арматуры, гвоздей, болтов, шурупов и др.

Ковка — это придание требуемой формы сталь­ ному слитку или заготов­ ке из проката деформиро­ ванием нагретого метал­ ла. Ковкой также изменя­ ют структуру металла, улучшая его свойства.

Штамповка произво­ дится в формах-штампах, что обеспечивает точное соблюдение размеров из­ делия.

Сущность метода

штампования взрывом за­ ключается в том, что энер­ гия взрывчатых веществ мгновенно воздействует

на заготовку либо подвижную часть инструмента, деформирующе­ го металл. Этот метод чрезвычайно производителен, так как про­ изводительность цикла формообразования сводится к долям секун­ ды. Штампование этим способом обычно производят в специальных колодцах под водой.

§ 31. Характеристика и марки стали

Для металлических строительных конструкций применяют в ос­ новном стали: углеродистую обыкновенного качества; углероди­ стую обыкновенного качества конвертерную; углеродистую горячекатанную; углеродистую толстолистовую и широкополосную термически обработанную; низколегированную конструкционную; углеродистую.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготовляют в мар­ теновских печах и бессемеровских конвертерах. По способу рас­ кисления различают мартеновскую (М) спокойную, кипящую (кп) и полуспокойную (пс) стали, бессемеровскую (Б) — спокойную и кипящую.

В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь подразделяют на группы: А-— поставляемую по механиче­ ским свойствам, Б — поставляемую по химическим свойствам, В — поставляемую по механическим свойствам и с дополнительными требованиями по химическому составу.

Наибольшее распространение для строительных конструкций получили горячекатаная углеродистая сталь и низколегированная сталь повышенной прочности.

Сталь углеродистую качественную конструкционную в зависи­ мости от химического состава подразделяют на группы с нормаль­ ным и с повышенным содержанием марганца.

Ударная вязкость мартеновской стали меняется при изменении температуры. Например, при —40° С мартеновская сталь марки МСт. становится хрупкой, максимальная ударная вязкость наблю­ дается в интервале температуры 100—300° С.

Ударная вязкость кипящей стали понижается различно в зави­ симости от температуры. Кипящая сталь становится хрупкой при —10°С.

При наклепе предел текучести мартеновской стали приближает­ ся к величине предела прочности. Ударная вязкость конвертерной стали сильно снижается при низких температурах. Она становится хрупкой при температуре —20° С.

В конструкциях, подвергающихся динамическим нагрузкам, при­ меняют спокойную мартеновскую или низколегированную стали, а для конструкций, не подвергающихся таким нагрузкам,— обычную кипящую сталь.

Распространенная в строительстве сталь ВСт.З имеет сущест­ венные недостатки. Она обладает относительно невысокой прочно­ стью. Спокойная сталь в меньшей степени, чем кипящая, склонна к старению и хрупкости. К отрицательным свойствам этой стали можно также отнести низкую вибрационную прочность и сравни­ тельно малую стойкость против коррозии.

Экономичное использование металла в строительных сварных конструкциях вызывает необходимость расширения производства и применения сталей повышенной прочности с пределом текучести (350-^-400)9,8- ІО5 н/лг2, а также высокопрочных сталей с пределом текучести (600-г- 800)9,8- ІО5 н/м2.

Наибольший эффект дает использование указанных сталей в тех элементах конструкций, где большая часть обусловливается собственным весом. При особо больших пролетах и нагрузках, а также динамических воздействиях переход на более прочную сталь становится настоятельной необходимостью.

Как известно, за пятилетие в строительстве, согласно решениям XXIV съезда КПСС, намечено сэкономить 9—11% металлопрока­ та. Наиболее эффективный путь выполнения этой задачи — при­ менение стали повышенной и высокой прочности.

Основная масса стальных строительных конструкций в настоя­ щее время изготовляется из малоуглеродистой и низколегирован­ ной стали. Применение только низколегированных сталей экономит до 20% металла.

Использование высокопрочных сталей могло бы дать экономию до 40% металла при применении трубчатых профилей.

Свойства стали улучшают введением в ее состав легирующих добавок. Такие стали носят название легированных.

Разные легирующие элементы действуют на сталь различно: хром — повышает жаростойкость, износоустойчивость и сопро­

тивляемость коррозии;

За последние годы в строительстве все чаще применяют тон­ колистовую сталь, плакированную пластмассами с одной или двух сторон. Для большей атмосфероустойчивости стальные листы пе­ ред плакированием оцинковывают. Плакированная сталь приме­ няется в промышленном строительстве в виде штампованного на­ стила, волнистых листов для кровельных и стеновых ограждений, в качестве обшивок трехслойных панелей. Она отличается хорошим внешним видом, обладает химической и атмосферной устойчи-

-востью, способностью к штамповке и глубокой вытяжке.

Впоследние годы стали применять оцинкованный стальной про­ филированный настил для покрытий промышленных зданий. Зда­ ния с металлическим каркасом из эффективных профилей метал­

лопроката и эффективных марок сталей, с покрытием из профили­ рованного настила и стенами из эффективных панелей примерно в 8 раз легче зданий, возводимых из обычных железобетонных конструкций; трудоемкость монтажа и стоимость строительства таких зданий значительно снижаются. Широко применяются сан­ технические стальные штампованные изделия (отопительные ра­ диаторы, ванны, мойки и др.), успешно заменяющие аналогичные изделия из чугуна.

Для ограждения балконов, лестничных маршей, лифтовых ка­ бин, наружных ограждений дворов, парков применяют стальные решетки.

В строительстве используют изделия из стальной проволоки — сетки (для ограждений лифтовых шахт, подготовки под огнеза­ щитную штукатурку), канаты и тросы.

Ни одно современное строительство не обходится без приме­ нения стальных крепежных изделий — болтов, скоб, шурупов, гвоз­ дей, скобяных изделий для оконных и дверных блоков, блоков сантехкабин (петли, притворы, ручки, замки и др.).

В настоящее время для облицовки применяют штампованные стальные тонкие плитки и листы, имитирующие набор плиток, по­ крытых слоем цветной эмали.

ний имеет повышенную стойкость к коррозии на воздухе благодаря образованию защитной пленки А120з, высокую теплопроводность и электропроводность. Предел прочности при растяжении у алю­ миния (900-Г-1200) ІО5 н/м2, относительное удлинение 20—30%, твер­ дость НВ = 25-і-ЗО, коэффициент теплопроводности 200 вт/м ■град, удельная теплоемкость 1,26 • ІО3 дж/кг • град.

Получают алюминий из бокситов, нефелинов, алунитов. При комплексной переработке нефелинов, помимо глинозема, получают соду, поташ, цемент, серную кислоту, удобрения и другие продук­ ты. Сплавы алюминия с кремнием при добавке в шихту 0,1% мо­ дификатора называют силуминами.

Открытый в Советском Союзе способ выплавки алюминия не­ посредственно из руды снижает стоимость производства алюминие­ вых сплавов. В чистом виде в строительстве алюминий применяют для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые крас­ ки и газообразователи при изготовлении ячеистых бетонов), фоль­ ги, электропроводов. Алюминиевую фольгу применяют для изго­ товления высокоэффективного утеплителя (альфоля), в качестве отражателя тепловых лучей, а также декоративного материала. Из алюминиевых сплавов анодным оксидированием получают архитектурные детали различной расцветки.

Для строительных изделий алюминий применяют в виде спла­ вов, в состав которых входят Си, Мп, Mg, Si, Fe. Сплавы алюми­ ния имеют предел прочности при растяжении более 5- 108н/лі2.

Сплазы, состоящие из алюминия, меди, магния и марганца, но­ сят название дуралюминий. Из алюминиевых сплавов изготовляют плоские и волнистые листы, прокатные, гнутые, клепаные и свар­ ные профили, трубы.

В настоящее время область применения алюминиевых сплавов

сильно расширена. Их рекомендуется применять: в конструкциях большепролетных сооружений, в которых собственный вес состав­ ляет значительную часть нагрузок; в сборно-разборных конструк­ циях; в конструкциях сооружений, возводимых в труднодоступных местах; при строительстве в сейсмических районах; в конструкциях сооружений, предназначенных для службы в агрессивной среде; в конструкциях подвижных и подъемно-транспортных устройств.

Экономически целесообразно применение трехслойных навесных панелей из листов алюминия с пенопластмассовым заполнением, кровельных покрытий, алюминиевых оконных переплетов, перфо­ рированных плит для звукопоглощающих поверхностей и др. Бес 1 м2 алюминиевой панели с поропластом в 8—10 раз легче желе­ зобетонной.

Строительные изделия из алюминиевых сплавов отличаются хо­ рошим внешним видом, сейсмостойкостью, хладостойкостью, огне­ стойкостью, антимагнитностью, долговечностью. Такое сочетание свойств определило широкое применение алюминия в строи­ тельстве.

Алюминиевые сплавы применяются в основном в долговечных, стойких против коррозии декоративных ограждающих конструк­ циях.

Область применения алюминиевых конструкций расширяется благодаря созданию конструктивно-облицовочных материалов с защитнодекоративными полимерными, эмалевыми и электрохими­ ческими покрытиями.

Применяя алюминий, можно уменьшить вес стен и кровли в 10—80 раз, уменьшить трудоемкость монтажа и сократить его сроки в 2—3 раза.

В строительстве применяют высокоэффективный материал — пеноалюминий. Процесс его получения заключается в том, что в расплавленный металл вводят гидриды металлов (титана, бария или циркония), которые при нагреве выделяют газы. В результа­ те получают пористый материал с низкой объемной массой (100 -ь- -г- 300 кг/м3) и малой теплопроводностью. Пеноалюминий обла­ дает хорошей пластичностью и может подвергаться резанию, пай­ ке, склеиванию.

В соответствии с нормами и техническими условиями рекомен­

конструкций зданий, не требующих повышенной стойкости против коррозии;

термически обрабатываемые — алюминиево-кремнистые для конструкций, требующих повышенной стойкости против коррозии; дуралюминиевые нормальной и повышенной прочности для кон­ струкций, не требующих повышенной стойкости против коррозии.

морской рапы после осадки поваренной соли, из карналлита и магнезита. Применяют магний при изготовлении специальных легких сплавов.

Цинк. Плотность цинка 7,0 • ІО3 кг/ж3. Температура плавления 419° С. Применяют его главным образом для оцинкования различ­ ных стальных изделий (гвоздей, болтов, кровельной стали)' в качестве составляющего сплавов. При обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до 150° С он становится пластичным. Цинк получают из сульфидных цинковых руд ZnS.

Свинец — мягкий, пластичный, тяжелый металл. Плотность свин­ ца 11,40ІО3 кг/м3. Температура плавления 327° С. Свинец хоро­ шо льется и прокатывается, хорошо противостоит действию серной и соляной кислот. Предел прочности при растяжении до 2 -107 н/м2, твердость — 5,9. Свинец непроницаем для рентгеновских лучей и частично гамма-лучей. Применяется в строительстве для специаль­ ных труб, антикоррозионных покрытий, звуко- и гидроизоляции и как составная часть некоторых легкоплавких сплавов. Свинец до­ бывают из сульфидных руд.

Олово — мягкий, стойкий против коррозии металл. Плотность олова 7,23 • ІО3 кг/м3. Температура плавления 232° С. Применяет­ ся для лужения стали и меди в качестве припоя и как составная часть цветных легкоплавких сплавов. Предел прочности при рас­ тяжении (350-г-450) ІО5 н/м2, относительное удлинение 40%, твер­ дость—12. Олово добывают из руды, которая называется оловян­ ным камнем.

Медь и ее сплавы. Медь— металл красного цвета с плотностью

нием 30—60%. Медь — мягкий и пластичный металл, хорошо про­ водит электричество и тепло.

Медь добывают из медных, сульфидных и окисленных руд. Применяют медь для изготовления электрических проводов и в качестве составной части различных сплавов.

Сплав, состоящий из меди и цинка, называют латунью. Ла­ тунь обладает высокими механическими и антикоррозионными свойствами и поддается горячей и холодной обработке. Иногда к латуни добавляют свинец, олово, алюминий, кремний и др.

для архитектурной отделки интерьеров (базы колонн, различные погонажные изделия).

Сплав меди с оловом (до 10%) называют оловянистой брон­ зой. Сплавы меди с алюминием, никелем, кремнием носят назва­ ние безоловянистых бронз. Иногда в состав бронзы вводят свинец, цинк, фосфор. Бронзу применяют для внутреннего оборудования зданий (сантехническая арматура, вентиляционные решетки, де­ тали карнизов, фурнитура и др.).

Кроме бронзы и латуни, известны другие сплавы, содержащие медь. Например, мельхиор (20% никеля и 80% меди), никелин

(45% никеля и 55% меди), константам (40% никеля, 59% меди и 1% марганца).

Сплавы, состоящие из свинца, олова, сурьмы, меди, применяют в качестве так называемых антифрикционных или подшипниковых. Такие сплавы носят название баббитов.

В последнее время некоторые цветные металлы с успехом за­ меняют стеклом, пластмассами, химически обработанной древеси­ ной и др.

§ 33. Редкие металлы и сплавы

Современная техника предъявляет повышенные требования к спла­ вам, применяемым для специальных целей. Основными элементами (кроме железа) таких сплавов являются редкие металлы: титан, цирконий, ванадий, гафний, ниобий, тантал, молибден, вольфрам,

гирующим элементом, добавляемым к стали для получения проч­ ного и жаропрочного сплава. Титан занимает особое место среди металлов. Он в два раза легче стали и значительно прочнее ее, обладает высокой твердостью, жаропрочен. Будучи немного тяже­ лее алюминия, титан прочнее его в 5—6 раз. Титан сохраняет свои свойства при температуре до —200° С, обладает исключительной стойкостью к кислотам, щелочам, солям, хлору, сере. В сплаве с малыми дозами палладия, молибдена стойкость титана к химиче­ ской коррозии приравнивается к стойкости золота, тантала.

Титан справедливо называют металлом будущего. В СССР из титана выполнена облицовка обелиска космонавтам в Москве, сооружено ряд труб высотой более 120 м на Березняковском ти­ тано-магнезитовом комбинате, в Запорожье, Соликамске и др. Эффективный и экономичный способ производства деталей из ти­ тановых сплавов — точное литье.

В Институте электросварки имени Е. О. Патона Академии наук УССР разработана технология дуговой и Электрошлаковой свар­ ки титана и его сплавов с использованием специальных флюсов.

Цирконий — блестящий металл плотностью 6,5* ІО3 кг/м? с тем­ пературой плавления 1857° С. Цирконий обладает высокой проч­ ностью на разрыв 10 000-ІО5 нім2, имеет высокую стойкость к кис­ лотам и щелочам, к морской воде. Используют его для легирования стали и изготовления специальных сплавов с медью.

ванадий в основном как легирующий элемент в стали, для изго­ товления стойкой в морской воде ванадиево-медной бронзы.