Полезная информация
Применение металлоизделий в строительстве
В строительстве металлоизделия из стали используют для изготовления конструкций, армирования железобетонных конструкций, устройства кровли, подмостей, ограждений, форм железобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки этого металла обеспечивает экономный расход стали и успешную работу конструкции.
Для изготовления несущих (расчетных) сварных и клепаных конструкций рекомендуют следующие виды сталей: мартеновскую — марок ВМСтЗпс (сп, кп), низколегированную — марок 15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД; природно-легированную — марок 15ХСНД, 10ХСНД; кислородно-конвертерную — марок ВКСтЗсп (пс, кп). Стали марок Ст4 и Ст5 рекомендуют для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки.
Стальные металлоизделия для конструкций, работающих на динамические и вибрационные нагрузки и предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур, должна дополнительно проверяться на ударную вязкость при отрицательных температурах. К металлоизделиям из стали для мостовых конструкций предъявляют специальные требования (ГОСТ 6713-75) по однородности и мелкозернистости, отсутствию внешних дефектов, прочностным и деформационным свойствам.
Для армирования железобетонных конструкций стальные металлоизделия применяют в виде стержней, проволоки, сварных сеток, каркасов. Арматурная сталь может быть горячекатаная (стержневая) и холоднотянутая (проволочная). По форме сталь чаще всего бывает круглая, а для улучшения сцепления — периодического профиля. В отдельных случаях для повышения механических свойств сталь обрабатывают наклепом и применяют термическую обработку.
Стержневую арматуру в зависимости от механических свойств делят на классы: A-I, A-II, A-III, A-IV и др. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали добавляют индекс «т» (например, Ат-III), упрочненную вытяжкой — «в» (например, А-Шв).
Такое металлоизделие, как арматурная проволока может быть холоднотянутой класса B-I (низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса В-II (углеродистой) для напрягаемой арматуры. Для обычного армирования преимущественно применяют арматурную сталь классов A-III (марок 25Г2С, 35ГС и др.), А-II (марок Ст5) и обыкновенную арматурную проволоку, а при особом обосновании также A-I (марки СтЗ) и А-IIв. Для предварительно напряженного армирования используют высокопрочную проволоку, арматурные пряди и арматуру класса A-IV (марок ЗОХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц и другие низколегированные стали), а также упрочненную вытяжкой сталь класса А-IIIв (марок 35ГС, 25Г2С).
Ассортимент металлоизделий и прокатного металла, применяемого в строительстве разнообразен: сортовая сталь, прокатная сталь листовая, уголки, швеллеры, двутавры, трубы и прочее, служат основой для изготовления металлических конструкций (балки, колонны, фермы и т.д.). На сортаменты имеются ГОСТы наиболее рациональных типов профилей и частоты их градаций.
Сортовая сталь: круглая (диаметром 10...210 мм) применяется для изготовления арматуры, скоб, болтов; квадратная (сторона квадрата 10...100 мм); полосовая (шириной 12...20 мм) — для изготовления связей, хомутов, бугелей. Сталь листовая включает листы толщиной от 4...160 мм, шириной 600...3800 мм; тонколистовая кровельная — черная и оцинкованная толщиной до 4 мм; широкополочная толщиной 6...60 мм, шириной 200...1500 мм, длиной 5...12 м. Другие металлоизделия — уголковые профили (равнополочные и неравнополочные) выпускают площадью сечения 1,0...140 см2.
Швеллеры характеризуются сечением швеллеров, его определяют номером, который соответствует высоте стенки швеллера в сантиметрах. Такие металлоизделия, как двутавры (основной балочный профиль) имеют несколько типов:
обозначаются номером, соответствующим их высоте в сантиметрах. Трубы круглые имеют диаметр от 8... до ...1620 мм. Трубы могут быть квадратного и прямоугольного сечения. В строительстве также широко применяют специальные профили и металлические материалы: стальные канаты и проволоку, профилированные настилы и т.д.
Чугуны
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но этот металл дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы.
Различают несколько видов чугуна.
Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии, в виде Fe3C (цементита), имеет следующие свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.
Серый чугун только частично содержит углерод в связанном состоянии (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии — в виде графита. Графитовые включения серый цвет излому. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.
Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.
Из серого чугуна отливают элементы металлоизделий и конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали. Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых, ковкие чугуны являются более прочными, пластичными, легче обрабатываются.
Высокопрочные (модифицированные) чугуны многократно превосходят обычные серые чугуны по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.
При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость. При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две — предел прочности при изгибе.
Цветные металлы и сплавы
Сплавы цветных металлов применяют при изготовлении металлоизделий и деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы. Медь — металл красноватого цвета, отличается высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. При высокой пластичности, прочность меди невысока. Латунь — сплав меди с цинком (10...40 %), металлоизделия из латуни хорошо поддаются холодной прокатке, штамповке, вытягиванию. При маркировке латуней (Л96, Л90, ..., Л62) цифры указывают на содержание меди в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т.е. с другими элементами (Мn, Sn.Pb.Al).
Бронза — сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и другими элементами. Бронзовые металлоизделия обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры). При маркировке бронзы Бр.ОЦСЗ-12-5 отдельные индексы обозначают: Бр — бронза, О — олово, Ц — цинк, С — свинец, цифры 3, 12, 5 — содержание в процентах олова цинка, свинца.
Алюминий — легкий серебристый металл, обладающий низкой прочностью при растяжении, малой плотностью — 2700 кг/м3, стоек к атмосферной коррозии. Металлоизделия из алюминия чистом виде в строительстве применяют редко (краски, газообразователи, фольга). Для повышения прочности в алюминий вводят легирующие добавки (Мn, Сn, Mg, Si, Fe) и используют некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины), идущие для прокатки профилей, листов и т.п.
Силумины — сплавы алюминия с кремнием (до 14%), обладают высокими литейными качествами, малой усадкой, прочностью, хорошей твердостью при достаточно высокой пластичности. Механические свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность и пластичность силуминов. Дюралюмины — сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием (менее 0,8 %), марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500-520°С с последующим старением). Старение осуществляют на воздухе в течение 4-5 суток при нагреве на 170СС в течение 4-5 часов.
Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел прочности дюралюминов после закалки и старения составляет 400...480 МПа и может быть повышен до 550...600 МПа в результате наклепа при обработке давлением.
В последнее время металлоизделия из алюминия и его сплавы все шире применяют в строительной отрасли для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в сборно-разборных конструкциях, при сейсмическом строительстве, в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Уже приступили к изготовлению трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей разработчики планируют создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100-300 кг/м3 кг.
Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, однако осуществляется она более трудно, чем сварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов Аl2О3.
Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах); повышенный примерно в 2 раза по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения; пониженная свариваемость. Титан в последнее время стали применять в разных отраслях техники благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м3) по сравнению со сталью, высоким прочностным свойствам, повышенной теплостойкости, свойственным металлоизделиям из титана. На основе титана создаются легкие и прочные металлоизделия и металлоконструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при повышенных температурах.
