Сплавы, применяемые в строительстве

Наиболее широкое применение в строительстве находят сплавы на основе железа - чугун и сталь.

Чугун содержит около 93% железа, от 2,14 до 5% углерода и неболь­шие примеси кремния (0,5 - 4%), марганца (1 - 3%), фосфора (0,02 -2,5%) и серы (0,005 - 0,08%).

В зависимости от условий охлаждения при получении, различают два вида чугуна: белый и серый. При быстром охлаждении образуется белый чугун, в котором углерод содержится в виде карбида железа - цементита Fе₃С. Он обладает высокой твердостью, но хрупок, поэтому в основном его перерабатывают в сталь, и называют передельным. При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется в виде графита, обра­зующийся при этом чугун имеет серый цвет, потому называется серым чугуном.

Чугун используют в основном для получения стали, на это расходует­ся примерно 80 - 85% всего чугуна. В то же время чугун - наиболее рас­пространенный литейный сплав.

Сталь является основой промышленного производства и строитель­ства. Сталь по сравнению с чугуном имеет лучшие механические свойст­ва. По химическому составу стали делят на углеродистые и легирован­ные. Содержание углерода (С) в составе стали меньше 2,14%.

В углеродистых сталях кроме углерода обычно содержится до 0,7% марганца (Мп), 0,4% кремния (Si), 0,04% серы (S) и 0,035% фосфора (Р). Высокоуглеродистые стали содержат более 0,6% углерода (С); среднеуг-леродистые 0,25 - 0,6% С и низкоуглеродистые - менее 0,25% С.

Строительные стали содержат до 0,3% углерода (С), машинострои­тельные 0,025 - 0,5% >, пружинные 0,5 - 0,8% >, инструментальные 0,7 -1,3% углерода. С увеличением содержания углерода повышаются твёр­дость, прочность, улучшается обработка резанием, но снижается пластич­ность стали и одновременно ухудшается свариваемость.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Сера ухудшает пла­стичность и вязкость, придает стали хрупкость при высоких температурах. Чем меньше содержание серы в стали, тем она качественнее. Фосфор так­же ухудшает пластичность и вязкость стали и вызывает хладноломкость, то есть склонность к образованию трещин при температурах ниже 20°.

Марганец нейтрализует вредное влияние серы. Он растворяется в кристаллитах железа (феррите) и цементите (Fe₃C) и повышает прочность стали. Содержание кремния также повышает прочность стали.

Для изготовления строительной арматуры, металлоконструкций для мостов обычно применяют низкоуглеродистые стали. Листовую низкоуг­леродистую сталь используют для изготовления резервуаров, трубопрово­дов и других изделий. Она хорошо сваривается, имеет высокую ударную вязкость, малочувствительна к концентрации напряжений.

Легированные стали подразделяются на низколегированные с общим содержанием легирующих добавок до 2,5%, среднелегированные - от 2,5 до 10% и высоколегированные - выше 10%. В качестве легирующих доба­вок чаще всего применяют Ni, Сг, Mn, Si, W, Mo, Ti, V, Со. Сталь может содержать одновременно несколько легирующих металлов.

Низколегированные строительные стали обладают высокой пластич­ностью и ударной вязкостью. Низколегированные стали широко приме­няют в строительстве для изготовления различных сварных и клёпаных конструкций, для армирования железобетонных изделий.

Из цветных металлов наиболее широкое применение в строительст­ве находят сплавы на основе алюминия и меди.

Алюминий (Al) - лёгкий (плотность 2,7 г/см³) серебристо-белый ме­талл с температурой плавления 657°. Алюминий на воздухе моментально покрывается очень тонкой и прочной оксидной пленкой А1₂О₃, защищаю­щей металл от дальнейшего окисления и действия воды. Вода не действу­ет на алюминий даже при повышенной температуре. Поэтому он устойчив к атмосферной коррозии. Однако алюминий разрушается и щелочами, и кислотами. По объему производства алюминий занимает второе место среди металлов, после железа. В строительстве и машиностроении исполь­зуется около половины получаемого алюминия.

В чистом виде алюминий применяют для изготовления фольги, проволо­ки, порошка. Алюминиевую фольгу (альфоль) используют в качестве эффективного утеплителя (для отражения тепловых лучей) или декоративного ма­териала. Проволоку используют для изготовления электрических проводов, алюминиевый порошок - в качестве наполнителя в красках или газообразователя при изготовлении ячеистых бетонов. Чистый алюминий из-за невысокой прочности в качестве конструкционного материала в строительстве практиче­ски не используют. В этих целях обычно применяют сплавы алюминия.

Алюминиевые сплавы сохраняют легкость (плотность до 3,0 г/см³), коррозионную стойкость и пластичность при низких температурах. При этом прочность некоторых марок алюминиевых сплавов сопоставима с прочностью сталей. Сплавы легко обрабатываются резанием и сваривают­ся контактной сваркой.

Недостатками алюминиевых сплавов являются сравнительно низкий модуль упругости, высокий коэффициент линейного расширения и отно­сительная сложность соединения элементов конструкций.

В зависимости от состава алюминиевые сплавы делят на: Al - Si (си­лумины); А1 - Mg (магналии); А1 - Сu - Mg (дюралюмины); Al - Mg - Si (авиали) и более сложные (многокомпонентные) с улучшенными свойст­вами: высокопрочные (А1 - Zn - Mg - Сu, Al - Сu – Li или Al - Сu - Mg - Li), жаропрочные (Al - Сu - Мn или Al - Сu - Mg - Fe - Ni), коррозионностойкие (для работы в морской воде и агрессивных средах). Для произ­водства таких сплавов в качестве легирующих металлов используют хром, цирконий, цинк, никель, литий и др.

Для изготовления строительных изделий из алюминиевых сплавов наи­более широко применяются сплавы с магнием, медью, кремнием, марганцем.

По способу обработки алюминиевые сплавы делят на литейные и де­формируемые.

Литейные сплавы используют для получения изделий методами литья в различные формы. Наиболее распространенными литейными алю­миниевыми ставами являются сплавы с кремнием или магнием - силуми­ны или магналии.

В частности, литейный сплав с содержанием магния 9,5 - 11,5%, применяют в строительных конструкциях, успешно заменяя аналогичные стальные изделия.

Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением: прессованию, штамповке, ковке, прокатке. Так получают лис­ты, профили, проволоку, прутки и т.д.

Алюминиевые деформируемые сплавы подразделяют на сплавы, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Высокопрочные не упрочняемые термически сплавы Al - Mg - Mn могут содержать 2 - 7% магния и 1,0 - 1,6% марганца. Их упрочняют де­формацией в холодном состоянии.

В строительстве не упрочняемые термически алюминиевые сплавы применяют как для изготовления несущих конструкций (балки, арки, фермы, рамы), так и для малонагруженных и ненагруженных элементов (дверные и оконные переплеты, стеновые панели, арматурные детали).

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, при­обретают высокие механические свойства и коррозионную стойкость только в результате термической обработки.

Наиболее широко распространенными из них являются дюралюмины А1 - Сu - Mg (содержание меди: 2,2 - 4,0%; магния 0,4 - 2,4%), содержа­щие также небольшие количества марганца (0,3 - 0,9%). В результате термообработки прочность дюралюмина повышается до прочности среднеуглеродистых сталей. Дюралюмин широко применяется в строительст­ве, в авиационной и ракетной промышленности.

Медь (Си) - мягкий, пластичный, ковкий металл красно-розового цвета с характерным металлическим блеском, плотностью 8,92 г/см³, тем­пературой плавления 1083°.

Чистую медь в качестве конструкционного материала применяют редко вследствие недостаточной прочности. Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, томпаки.

Сплавы меди с цинком называют латунями, или томпаками. Томпаки содержат до 10% цинка, латуни - более 20% цинка. Латуни по сравнению с чистой медью, являются более прочными и твердыми, более устойчивы­ми к коррозии. Максимальной прочностью обладают латуни, содержащие 42 – 45% цинка, наибольшей пластичностью обладают латуни с содержа­нием цинка 30 – 32 %.

Дополнительное легирование латуни с использованием алюминия, марганца, олова, никеля или кремния позволяет получить специальные марки латуни, не уступающие по прочности среднеуглеродистой стали.

Латуни делят на деформируемые и литейные. Применяют латуни для изготовления арматуры, труб, проволоки, втулок, подшипников; фольги.

Бронзы - сплавы меди с различными металлами (кроме цинка и ни­келя), чаще всего - с оловом, бериллием, алюминием. Бронзы превосходят чистую медь по прочности и коррозионной стойкости. Для многих бронз характерны высокие прочность, износостойкость, упругость, ударная вяз­кость, антифрикционные свойства.

Оловянная бронза - это древнейший из сплавов, полученных людьми. Однако специальные (не содержащие олова) бронзы имеют лучшие меха­нические свойства, дешевле и находят широкое применение. Так, алюми­ниевые бронзы (содержат 4-11,5% А1) обладают повышенной коррози­онной стойкостью; бериллиевые бронзы (содержат от 1,6 до 2,2% Be) имеют высокую прочность и стойкость к коррозии, хорошую пластич­ность и антифрикционные свойства.

Различные бронзы широко используют для изготовления сантехниче­ской арматуры, пружин, труб, различных изделий бытового назначения, колоколов, монет и т.д..

Дата добавления: 2014-11-29