Архит._материал._-_Шеина_Ч1

твердых (7,0 по шкале Мооса). Тем не менее, осмиевую губку можно растереть в порошок, поскольку он хрупок. Плавится осмий при температуре около 3000 °C, а температура его кипения до сих пор точно не определена. Полагают, что она лежит где-то около 5500 °C.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро.

Коэффициент теплопроводности у стали 58 Вт/м∙оС, для сравнения у гранита – 2,92, бетона – до 1,55, воды – 0,599, воздуха – 0,023. Удельная теплопроводность, кДж/кг∙оС: у алюминиевых сплавов – 0,9, чугуна – 0,5, стали – 0,46…0,48, меди и бронзы – 0,38, для сравнения у сосны – 2,51 и бетона –

0,8…0,92.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено

наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов.

Коэффициент линейного расширения у стали 1,14∙10-6, а у алюминия

примерно вдвое больше; наименьшее электрическое сопротивление среди технических металлов имеет медь (1,67∙10-4 Ом∙м), у алюминия оно в 1,6, у железа в 5,8 раз больше.

К механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и истираемость.

Металлы отличаются высокой прочностью, как при сжатии, так и при растяжении. Например, предел прочности при сжатии у серого чугуна составляет 100…200 МПа, у обычных сталей – 350…400 МПа, у качественных сталей –

в

1,25 раза выше, чем у обычных сталей.

Большинство металлов являются пластичными – металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Пластические свойства металлов характеризуются относительным удлинением, δ = [(lк – lо)/lо]·100 % и сужением ψ = [(Ао – Ак)/Ао]·100 %, где lк, lо и Ак, Ао – соответственно длина и площадь поперечного сечения образца до и после разрушения. Пластичность металлов учитывается при обработке заго-

322

товок для получения из них готовых изделий. Ковкие металлы испытывают на пластичность, изготовляя пробные поковки. Из тяжелых металлов наиболее пластичны медь и свинец, относительное удлинение которых соответственно достигает 60 и 55 %. Однако, относительное удлинение меди после механической обработки (наклепа) снижается до нескольких процентов.

Характеристики прочности и пластичности обычно определяются на стандартных образцах при испытании на разрыв. Ими являются: временное сопротивление σв, условный предел текучести σ0,2, условный предел упругости δ0,05, относительное удлинение δ и относительное поперечное сужение ψ.

Условный предел текучести соответствует напряжению, вызывающему остаточную деформацию 0,2 %. Этот показатель введен в связи с тем, что в металлах повышенной прочности площадка текучести не всегда четко регистрируется, в связи с чем, определение физического предела текучести становится неопределенным. Условный предел упругости соответствует напряжению, вызывающему остаточную деформацию 0,05 %.

Усталостная прочность определяется для конструкций, подверженных знакопеременному нагружению. Испытание на усталость (выносливость) производится на специальных машинах, обеспечивающих знакопеременные напряжения: изгиб, поперечное сжатие и растяжение, кручение и ударную нагрузку.

Твердость зависит от состава и строения металла. Чем тверже металл, тем шире возможности его применения для изготовления деталей машин и инструмента. Твердость серого чугуна – 1000…1200 МПа, качественных сталей – в 2…2,5 раза больше. Наибольшая твердость, близкая к твердости алмаза, у карбида ванадия, вольфрама, титана и циркония, их используют для изготовления резцов, фрез и буровых головок. Твердость определяется как сопротивление материала вдавливанию в него постороннего тела (шарика, конуса или пирамиды) при приложении определенной нагрузки (рисунок

240).

Рисунок 240 – Схема определения твердости:

а– по Бринеллю;

б– по Роквеллу;

в– по Виккерсу

Твердость по Бринеллю (Н/м2) рассчитывают по формуле:

НВ = 2/ πD(D –√D2 – d2),

где Р – нагрузка, Н; D – диаметр стального шарика, мм. В приборе принят D = 1·1-2м; d – диаметр отпечатка (лунки), м.

При испытании значение Р принимают: для стали и чугуна – 3·103 Н, меди и сплавов – 1·104 Н, а очень мягких металлов (алюминия, баббита) – 2,5·103

323

Н. Метод применим для металлов и сплавов с твердостью не более 4500 МПа, так как при большей твердости стальной шарик может деформироваться.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах по формулам:

НR = 100 – e (при вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120о), НR = 130 – e (при вдавливании стального шарика, D = 1,588·10-3 м),

где е – = (h – hо)/2·10-6, h – глубина внедрения наконечника, м (под действием общей нагрузки Р после снятия основной нагрузки Р1); hо – глубина внедрения наконечника под

действием предварительной нагрузки Ро, м.

Предварительная нагрузка Ро при испытаниях независимо от вида наконечника принята 100 Н; основная Р1 для стального шарика – 900 Н (шкала В), алмазного конуса – 1400 Н (шкала С) и 500 Н (шкала А). В соответствии с этим твердость по Роквеллу обозначается НRА, НRВ, НRС. Метод широко применяется в промышленности, особенно для твердых и тонколистовых металлов и сплавов.

Твердость по Виккерсу определяют по формуле (МПа):

НV = 1,8544 (Р/d2)·10-6,

где Р – нагрузка на алмазную пирамиду от 500 до 1200 Н; d – среднеарифметическое значение двух диагоналей отпечатка, мм.

Твердость по Виккерсу обозначается НV5, НV10 и т.д. Чем тоньше и тверже металл или сплав, тем меньше должна быть нагрузка при испытании.

Для определения микротвердости мелких изделий и структурных составляющих металлов используют также метод Виккерса в приборном сочетании с металлографическим микроскопом (рисунок 241).

Рисунок 241 – Металлографический микроскоп с установленной цифровой фотокамерой, соединенной с компьютером. На экран монитора выведено увеличенное изображение микроструктуры деформированной стали 04Х18Н10Т

Испытание металлов на

вязкость разрушения прово-

дят на стандартных образцах с надрезом при трехточечном изгибе. Метод позволяет оценить сопротив-

ление металла распространению, а не зарождению трещины или трещиноподобного дефекта любого происхождения, всегда имеющегося в металле. Вязкость разрушения оценивается параметром К, представляющим собой коэффициент интенсивности напряжений или локальное повышение растягивающих напряжений (МПа) в вершине трещины:

К = Yσн√πС.

Условие стабильного существования трещины без ее роста и развития будет К < Klc,

ком напряженном состоянии и деформации. Он характеризует трещиностойкость

металла и является структурно-чувствительной характеристикой; уменьшается при понижении температуры, увеличении скорости приложения нагрузки и коррозии металла.

На ударную вязкость (сопротивление удару) проверяют детали машин и инструменты, работающие при кратковременных больших нагрузках. Испытание проводят на маятниковых копрах (маятник с грузом поднимается на определенную высоту, а затем падает, ударяя по образцу в месте предварительно сделанной риски). Например, у серого чугуна ударная вязкость составляет 0,5…1 Дж/м2, у стальных отливок – 2…7 Дж/м2.

На истираемость испытывают подшипники, цилиндры машин, кольца поршней, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях повышенного трения. Истираемость оценивается величиной потери массы трущихся поверхностей или временем истирания отпечатка, выдавленного на поверхности образца алмазным инструментом.

Химические свойства металла связаны с его способностью сопротивляться коррозии, возникающей в результате химического и электрохимического воздействия на него внешней агрессивной среды. О скорости коррозии судят по потере массы металла с единицы площади его поверхности в единицу времени, г/м2∙ч, или по глубине слоя разрушенного металла.

Технологические свойства определяют поведение металлов при различных видах обработки. В соответствии с этим различают литейные свойства (жидкотекучесть, температуру плавления и усадку), ковкость и вытяжку (характеризуют возможность обработки металла давлением), способность к обработке резанием и т.д. Проволоку проверяют на скручивание, навивая ее на стержень соответствующего диаметра.

Технологические пробы определяют возможность выполнять различные технологические операции, связанные с деформацией металла. Для этого производят испытание на вдавливание, перегиб, осадку, свариваемость и т.д.

13.6 Виды чугунов

Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2 до 6,67 %, а также постоянные примеси кремния (до 4,5 %), марганца (1,5 %), фосфора (до 1,5 %) и серы (0,08 %), а в ряде случаев и легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий), включаемые в сплав для придания ему требуемых свойств.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита и графита, либо в обоих видах одновременно. Цементит придает излому светлый цвет и характерный блеск; графит – серый цвет без блеска.

В зависимости от формы графита и условий его образования, а также от характера металлической основы чугун делится: на серый (2,4…3,8 % С); бе-

лый (2,8…3,6 % С, ) и ковкий (2,5…3 % С).

325

В белом чугуне углерод химически связан с железом в виде цементита Fe3C, вследствие этого он имеет повышенные твердость (НВ 4000…5000

МПа) и хрупкость, не поддается обработке. Поэтому он используется преимущественно как полупродукт (80 %) для переделки в сталь и для получения ковких чугунов (рисунок 242).

Рисунок 242 – Структура белого доэвтектического чугуна (включения цементита и перлита)

В серых чугунах углерод находится в состоянии графита, который имеет пластинчатую форму. Наличие его определяет серый цвет излома. Графитные включения могут быть крупные,

средние и мелкие по величине; прямолинейные и завихренные по форме; с равномерным, гнездовым и эвтектическим расположением графита. Серый чугун является хрупким и менее прочным, чем сталь, так как графитные включения создают своеобразные «надрезы» в металлической основе, что способствует концентрации напряжений. Механические свойства серого чугуна зависят от количества и формы графита (рисунок

243).

Рисунок 243 – Серый чугун: разветвленные пластины графита (темные) и зерна феррита

Литье из серого литейного чугуна хорошо работает на сжатие, в два раза слабее на изгиб и в три-четыре раза хуже на растяжение, — эти свойства необходимо учитывать при проектировании элементов строительных конструкций и художественных изделий, предназначенных под отливку.

Из серого чугуна изготовляют элементы строительных конструкций, работающих на сжатие – арки, своды, тюбинги метрополитена, опорные подушки, колонны, а также отопительные радиаторы, канализационные трубы, плиты для устройства полов в производственных помещениях и запорную арматуру (таблица 58).

Серый чугун, благодаря своей высокой коррозийной стойкости, чрезвычайно широко применяется в изготовлении изделий экстерьерного характера: парковых декоративных скульптур, ваз и фонтанов, садовых оград, ворот, надгробных плит и решеток. А долговечность и прочность на истирание делают его незаменимым материалом для ступеней и ограждений лестниц. Наконец, исключительно высокие литейные свойства позволяют отливать тончайшие ажурные предметы с красивым черно-коричневым цветом. Превосходно получаются из чугуна и мелкие бытовые предметы: пепельницы, дверные ручки, туалетные принадлежности и даже цепочки для часов.

Для улучшения свойств серый чугун модифицируют или легируют. Разновидностью легированных чугунов являются специальные чугуны, к которым относятся антифрикционные, жаростойкие, износостойкие, а также высокопрочный чугун.

326

Таблица 58 – Механические свойства серого чугуна

Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун магния 0,03...0,04 %. В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. У него тот же химический состав, что и серого чугуна, но более высокие прочностные свойства (Rсж = 40…60 кг/мм2, Rтек = 30…42 кг/мм2, относительное удлинение − 1,5…10 %, твердость по Бринеллю − 187…269 НВ). Его применяют для отливки корпусов насосов и вентилей. ОАО Липецкий металлургический завод выпускает трубы и фасонные части из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) ДN8-1000 м (СП 40-109-2006). К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. – червячок) формы, которые по свойствам (ГОСТ 28394-89) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом.

Ковкий чугун получают путем длительного нагрева (до 100 часов) белого чугуна при высоких температурах (760…980 оС) в нейтральной или окислительной среде. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Ковкий чугун отличается от серого чугуна пластичностью и способностью легко обрабатываться. По своим механическим свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное положение между сталями и серыми чугунами (рисунок 244).

Рисунок 244 – Структура ковкого чугуна

Из ковкого чугуна изготавливают тонкостенные детали (гайки, скобы), кронштейны и фитинги (соединитель-

ные части для трубопроводов), декоративные элементы – кованые изделия, применяемые для украшения здания (таблица 59).

327

Таблица 59 – Механические свойства ковкого чугуна

Они помогают выделить, подчеркнуть индивидуальность, придать особую атмосферу и шарм обычным конструкциям, дают неограниченные возможности для архитектурных решений.

Из ковкого чугуна изготавливают балконы, козырьки, беседки, перила и ограждения, мебель, заборы и ворота, решетки, аксессуары (рисунок 245).

Рисунок 245 – Ограждения из художественной ковки

328

13.7 Производство чугуна

Технологические процессы получения чугуна и стали, а также и изготовления из них металлических изделий и конструкций, применяемых в строительстве, схематически можно представить следующим образом (рисунок 246).

Основным способом производства чугуна из железных руд является доменный процесс. Исходными материалами для получения чугуна служат: железные руды (магнитный железняк – Fe3О4, Fe до 70 %; красный железняк

– Fe2О3, Fe до 65 %; бурый железняк – 2Fe2О3.3Н2О, Fe до 60 %), плавни

(флюсы – известняк, реже доломит) и топливо (кокс).

Доменная печь представляет собой вертикальную печь шахтного типа, снаружи имеющую металлический кожух из листовой котельной стали и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом.

Печь загружают сверху непрерывно через каждые 5…10 мин чередующимися слоями руды, флюса и топлива. Эти материалы, опускаясь вниз и соприкасаясь, с газами в различных температурных зонах претерпевают фи- зико-химические изменения. Воздух для горения, нагретый до 600…900 оС, подается под давлением в верхнюю часть горна через охлаждаемые водой воздушные фурмы. В результате происходящих процессов расплавленный чугун, стекая каплями вниз, собирается в горне, откуда его выпускают через летку. Шлак, сплавляющийся из пустой породы, имеет меньшую истинную плотность, поэтому собирается на поверхности чугуна и выпускается через специальную летку.

Выплавка чугуна из руд

Изготовление строительных конструкций: холодная обработка, сварка, клепка

Рисунок 246 – Технологические процессы чугуна и стали

329

При выплавке чугуна происходят следующие процессы: разложение плавильных материалов; восстановление железа и других элементов; науглероживание железа. Восстановление от высших оксидов к низшим оксидам и далее к чистому железу описывается следующими уравнениями:

3Fe2О3 + СО = 2Fe3О4+ СО2 Fe3О4+ СО = 3FeО + СО2

FeО + СО = Fe + СО2

После восстановления железа образуется его карбид (цементит) по реакции:

3Fe + 2СО = Fe3С+ СО2

Науглероживание железа происходит при температуре выше 900 оС. При температуре выше 1130 оС начинается с образование жидкого чугуна, расплавления пустой породы и флюсов с образованием шлаков.

Рисунок 247 – Схема устройства доменной печи: 1 – колошник; 2 – шахта; 3 – распор; 4 – заплечики; 5 – горн; 6 – летка чугуна (температура чугуна

1400…1450 оС); 7 – флюс; 8 – топливо; 9 – руда;

10 – капли чугуна; 11 – капли шлака; 12 – фурмы; 13 – шлаковая летка; 14 – желоб для выпуска шлака (температура шлака 1450…1500 оС); 15 – жидкий чугун

В доменных печах выплавляют передельные чугуны, применяемые для производства стали, и литейные чугуны – для литья чугунных деталей и изделий (рисунок 247).

13.8 Виды сталей

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей Mn, Si, S, P, O, H, N. После охлаждения сталь состоит из феррита и цементита. От их соотношения зависят многие свойства стали.

Кремний (0,35…0,4 %) повышает предел текучести и упругость, но снижает способность стали к холодной деформации – высадке и штамповке.

Марганец (0,5…0,8 %) повышает прочность, износостойкость и сопротивление удару, не снижая пластичности, но уменьшает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную серой. При прокатке или ковке такой стали при 1000…1200 оС эвтектика (FeS с железом) между зерна-

330

ми расплавляется, связь между ними нарушается, вследствие чего в направлении деформирования появляются надрывы и трещины.

Сера снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость, а также вызывает красноломкость стали. Поэтому содержание серы в стали ограничивается до 0,035…0,06 %.

Марганец обладает большим сродством к сере и образует с ней тугоплавкое соединение MnS, практически исключающее красноломкость. Однако при деформировании возникает строчечность структуры, которая вызывает анизотропию прочностных и деформативных свойств стали.

Фосфор является вредной примесью в стали. Растворяясь в феррите, он сильно искажает кристаллическую решетку, повышает σв, σ0,2 и порог хладоломкости, уменьшает δ, ψ и КСТ. Каждая 0,01 % фосфора повышает порог хладоломкости стали на 20…25 оС. Содержание его в стали ограничивается до

0,25…0,08 %.

Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких включений FeO, SiO2, Al2O3, Fe4N, твердых растворов или в свободном состоянии в раковинах, трещинах и других дефектных участках металла. Концентрируясь по границам зерен, они повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость и предел выносливости стали. Особенно вреден растворенный в стали водород. Он не только охрупчивает ее, но и приводит к образованию в катаных заготовках и поковках тонких трещин – флокенов. В изломе они имеют вид хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали. Их удаляют специальной термической обработкой или вакуумированием стали в жидком состоянии.

Никель и хром улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость стали (рисунок 248). Кроме того, никель резко снижает температуру охрупчивания стали, что весьма важно для северных районов, где конструкции работают при низких температурах.

Медь особого влияния на механические свойства не оказывает, однако повышает коррозионную стойкость стали.

Одним из способов повышения качества стали является введение легирующих элементов. Так, повышение предела текучести с 240 МПа (углеродистые стали) до 350 МПа (при легировании марганцем) позволяет сэкономить 15 % металла и до 400 МПа – 25…30 % металла.

Их вводят в конструкционные стали в количестве: Cr – 0,8…1,1 %, Ni –

0,5…4,5 %, Si – 0,5…1,2 %, Mn – 0,8…1,8 %. Элементы W – 0,5…1,2 %, Мо – 0,15…0,4 %, V – 0,1…0,3 %, Ti – 0,06…0,12 %, В – 0,002…0,005 % вводят в

сталь в сочетании с Cr, Ni и Mn для дополнительного улучшения ее свойств. В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывается буквами и цифрами, стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента; отсутствие цифр означает, что оно не превышает 1,5 %.

331