Реферат: Металлические материалы
Министерствообразования РФ
ПензенскийГосударственный Университет Архитектуры и Строительства
Реферат
Металлические материалы
Выполнил: ст. гр. АДА-21
Егурнов Н.Г.
Проверил:Козлов Ю.Д.
Пенза, 2003
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ… 2
КЛАССИФИКАЦИЯ. 4
Стальуглеродистая обыкновенного качества. 4
Стальуглеродистая качественная конструкционная. 6
Стальлегированная. 7
СТРОЕНИЕМЕТАЛЛОВ… 9
Структура. 11
Диаграммасостояния железоуглеродистых сплавов. 11
СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ… 14
Химическиесвойства. 14
Физическиесвойства. 15
ПРИМЕНЕНИЕМЕТАЛЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. 19
Сталь. 19
Чугуны. 20
Цветныеметаллы и сплавы. 21
ЛИТЕРАТУРА… 24
ВВЕДЕНИЕ
Металлы– наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и вбыту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое ихколичество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, впромышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отрасляхнародного хозяйства.[1, стр. 4]
Термин«металл» произошёл от греческого слова métallon (от metalléuō – выкапываю,добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смыслеоно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках,Платон называл metalléia. В древности и в средние века считалось, чтосуществует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо,ртуть. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах подвлиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались,превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – веществасложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести»(серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которойметаллы состоят из земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносовнасчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». Вкон. 18 в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы –простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ,в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развитияметодов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-йпол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные ищёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов,открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-63 методомспектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов,предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытиерадиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивныхметаллов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращенийначиная с сер. 20 в. были искусственно получены радиоактивные металлы, вчастности трансурановые элементы.
В конце 19 –начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия – наука о производствеметаллов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов иих сплавов в зависимости от состава и строения [3, стр. 133].
Основы современного металловедения были заложены выдающимисярусскими металлургами П.П. Аносовым (1799–1851) и Д.К. Черновым (1839–1921),впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.
П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработалнаучные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г.применил микроскоп для исследования строения металлов.
Д. К. Чернов продолжил труды П. П. Аносова. Он по правусчитается основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов.Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термическойобработки стали.
Открытые Д. К. Черновым критические точки в стали явилисьосновой для построения современной диаграммы состояния системы железо –углерод.
Классические труды «отца металлографии» Д. К. Черноваразвивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структуржелезоуглеродистых сплавов было сделано А. А. Ржешотарским(1898). Дальнейшееразвитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых Н. И.Беляева, Н. С. Курнакова, А. А. Байко-ва, С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.
Наука о металлах развивается широким фронтом во вновьсозданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другойсовременной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердоготела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находитьновые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаютсясверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойныекомпозиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные икерамико-металлические материалы. [1, стр. 58]
КЛАССИФИКАЦИЯ.
В строительстве обычноприменяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получилисплавы на основе черных металлов (~94%) и незначительное – сплавы цветныхметаллов (рис. 1) [2, стр.288]
/>
Рис. 1. Классификация металлов и сплавов.
Более подробно рассмотримклассификацию стали.
Сталь углеродистаяобыкновенного качества.
Решающеевлияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержаниеуглерода (рис. 2). При увеличении содержания углерода повышаются прочность,твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость,а также ухудшается свариваемость.
Примесьфосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы – красноломкость стали. Дляразличных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04...0,09 %, а серы0.04… Д07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержаниеего более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость.Примеси марганца и кремния в количестве 0,8...1 % не оказывают практическивлияния на механические свойства углеродистых сталей. В стали, предназначеннойдля сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25 %.Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает пластичность.
/>
Рис. 2. Влияние углерода намеханические свойства отожженных сталей.
Приобозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым сталь поставляется(«А» – по механическим свойствам, «Б» – по химическому составу, «B» – по механическимсвойствам и дополнительным требованиям по химическому составу); методупроизводства («М» – мартеновский, «Б» – бессемеровский, «K» –кислородно-конвертерный); дополнительные индексы («сп» – спокойная сталь, «пс»– полуспокойная Сталь, «кп» – кипящая сталь). В группе «А» индекс «М» частоопускается, но имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии индексов«сп», «пс», «кп» имеется в виду сталь спокойная.
Спокойнаясталь является более качественной, но по стоимости она на 12...15 % дороже кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам промежуточное положениемежду спокойной и кипящей сталью, но в результате и незначительного расхода раскислителейстоимость ее меньше, чем спокойной.
Механическиехарактеристики стали зависят также от формы и толщины проката. Углеродистыестали обыкновенного качества применяют без термообработки. В таблице 1приведены нормы на механические свойства стали углеродистой обыкновенногокачества (группа А).
Таблица 1.
Сталь углеродистаяобыкновенного качества.
Марки стали
группы А
Относительное
удлинение, %
Ст0
Ст1сп, пс
Ст2сп, пс
Ст3сп, пс
Ст3Гпс
Ст4сп, пс
Ст5Гпс
Ст6сп, пс
310
320...420
340...440
380...490
380...500
420...540
460...600
Не менее 600
–
–
200...230
210...250
210...250
240...270
260...290
300...320
20...30
31…34
29...32
23...26
23...26
21...24
17...20
12…15
Примечание: В сталимарок Ст3Гпс и Ст5Гпс повышенное содержание марганца. [2, стр.318-320]
Сталь углеродистаякачественная конструкционная.
Качественнаяконструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная,полуспокойная, кипящая).
Взависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: I – с нормальным содержаниеммарганца и II – с повышенным содержанием марганца. Марки стали и требования кмеханическим свойствам стали I группы в состоянии нормализации приведены в таблице 2. Вмарке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых доляхпроцента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термическиобработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).
Таблица 2.
Сталь углеродистаякачественная по ГОСТ 2050-74
Марки сталиСодержание
углерода, %
08 кп, пс
10 кп, пс
15 кп, пс
20 кп, пс
25 –
30 –
35 –
40 –
45 –
50 –
60 –
70 –
80 –
0,05...0,11
0,07...0,14
0,12...0,19
0,17...0,24
0,22...0,30
0,27...0,35
0,32...0,40
0,37...0,45
0,42...0,50
0,47...0,55
0,57...0,65
0,67...0,75
0,77...0,85
330
340
380
420
460
500
540
580
610
640
690
730
1100*
200
210
230
250
280
300
320
340
360
380
410
430
950*
35
31
27
25
23
21
20
19
16
14
12
9
6*
* Механические свойства после закалки и отпуска.
Примечание: В таблицеприведены только некоторые марки сталей.
Инструментальныекачественные углеродистые стали предназначены для изготовления режущего,мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Марки этих сталейобозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятыхдолях процента (У7, У8, У9,..., У13). Высококачественные стали имеют низкоесодержание серы (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03%), меньше неметаллических включений,обладают повышенными механическими свойствами. В обозначениях марок высококачественныхсталей в отличие от качественных ставится буква А (например, У7А, У8Аит. д.).[2, стр.320-321]
Сталь легированная.
Привведении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V и др.) достигаетсязначительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышениепредела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).
Легирующиедобавки, растворяясьв железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так какони имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чащевсего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода вперлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующиеэлементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, чтозначительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяютобласть аустенита, снижая критические точки Ас3, а другие, наоборот,сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинствалегирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную толщину,задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливатьстали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренниенапряжения и снижается опасность появления закалочных трещин.
Согласносуществующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическомусоставу и микроструктуре.
Поназначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные(машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особымифизико-химическими свойствами.
Дляобозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система. Легирующие элементыобозначаются буквами: С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М –молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц –цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры,стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталяхв сотых долях процента, в инструментальных — в десятых долях процента. Цифры,стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах.Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А,стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, стальмарки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.
Похимическому составу легированные стали делят на три класса: низколегированные с общимсодержанием легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные – от 2,5до 10% и высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов,например нержавеющая сталь 1Х18Н9.
Взависимости от структуры, которую получают легированные стали после нормализации,их делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, феррит-ная икарбидная (ледебуритная). Большинство конструкционных и инструментальныхсталей относится к сталям перлитного класса. Такие стали содержатнезначительное количество легирующих элементов (не более 5...6 %), хорошообрабатываются давлением и резанием.
Посленормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки иотпуска заметно повышают механические свойства.
Основнымпреимуществом легированных сталей по, сравнению со сталью марки СтЗ является ихбольшая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности исвариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расходметалла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосфернойкоррозии. [2, стр. 321-323]
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Исследованиеструктуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз наоптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомнойструктуры – рентгенографическим анализом.
Металлыпредставляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлахпространственной решетки.
/>
Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный;б – гранецентрированный
Решеткисостоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга нарасстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа этирасстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металловимеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельныеучастки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна.Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуруметаллов и их свойства.
Атомыметаллов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на наружной оболочке,легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью.
Черныеметаллы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов: а)центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаровзанимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеютгексагональную (шестигранную) решетку.
Железо,олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностьюодного и того же химического элемента при различной температуре иметь разнуюкристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделениемили поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значениеимеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиноймежатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств.
/>
Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа
Температура,при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида вдругой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграммеохлаждения и нагревания чистого железа (рис. 4) в виде участков,свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделениемтеплоты при нагревании.
Всеметаллы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагревеметалла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины,при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов изтвердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в ростекристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей.Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях.Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимноперпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новыеи возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. Вдальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченнорасположенными атомами.
Вусловиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильныеочертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зереноказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельчезерна, тем прочнее металл.
Техническиеметаллы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большогочисла различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен– 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условноизотропными телами.
Структура.
Сплавыобладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы,входящие в состав сплавов, называют компонентами.
Компонентысплавовв процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовыватьхимические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов илинового химического соединения и механические смеси.
Химическиесоединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности,ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно химическиесоединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеюткристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности.
Твердыерастворы– сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллическойрешетке растворителя; растворимый элемент может замещать часть атомов основногометалла или внедряться между ними, но без образования молекул определенногосостава. В железоуглеродистых сплавах Fe–С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химическихсоединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры иконцентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой).Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов,который по этому признаку считается растворителем.
Механическиесмеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно перемешанные исвязанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердыхрастворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава приохлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси,хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоидыобразуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смесивозникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определеннойтемпературе. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердеваниив первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому.
Измененияструктуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры в нагляднойформе представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы не содержатфактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева и охлаждения.
Диаграмма состоянияжелезоуглеродистых сплавов (рис. 5).
Основнымиструктурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.
Феррит – твердый растворуглерода в α -Fe. При температуре 723° Спредельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.
Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение,содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, атакже самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердыерастворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается притермической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.
Аустенит – твердый растворуглерода в γ –Fe. Атомы углеродавнедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным взависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре,а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенитаНВ 170...220.
/>
Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:
а – диаграмма; I – жидкийсплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкийсплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит,ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и аустенит; IX – феррит иперлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит;ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочныеотношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.
Перлит– эвтектоиднаясмесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованиюперлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160...260.Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).
Ледебурит– эвтектическаясмесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3% Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в составледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд(НВ 700) и хрупок.
Графит – мягкая и хрупкаясоставляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серыхи ковких чугунах.
Надиаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложенатемпература, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такогоколичества, при котором образуется химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирнымилиниями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так каквозможен распад цементита Fe3С.
Рассматриваемуюдиаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, таккак свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углеродапропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все измененияструктуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.
Вселинии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам,при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки длястали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К. Чернов.
ЛинияACD– линия началакристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF– линия концакристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектикаплавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всехостальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначалавыделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESGна диаграмме соответствуетаустениту. Линия GS– начало выделения феррита, а линия SE– вторичного цементита.Линия PSKсоответствует окончательному распаду аустенита ивыделению перлита. В области ниже линии PSKникаких измененийструктуры не происходит.
Взависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующиеназвания:
При содержании углерода <0,83% – доэвтектоидные стали
» » » 0,83% – эвтектоидныестали
» » » 0,83...2% – заэвтектоидныестали
» » » 2,0...4,3% – доэвтектическиечугуны
» » » 4,3… .6,67% – заэвтектическиечугуны
С увеличениемсодержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличиваетсясодержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода всплавах, тем выше твердость, прочность, но ниже их пластические свойства.Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частицструктурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше имельче частицы феррита и цементита. [2, стр. 302-308]
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Химические свойства.
В соответствии с местом, занимаемым в периодической системеэлементов, различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главныхподгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти металлыхарактеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s-и p-электронных оболочек. Ватомах металлов побочных подгрупп (подгруппы б), называемых переходными,происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы – лантаноиды иактиноиды. В подгруппы авходят 22 металла: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a);Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb(IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI a). В подгруппы бвходят: 1) 33 переходных металла d-группы [Сu, Ag, Аи (I б); Zn, Cd, Hg(II б); Sc, Y, La,Ac (III 6); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б); V, Nb, Та, элемент с Z = 105 (V б); Сr, Mo, W (VI б); Mn, Тс, Re (VII б); Fe, Co, Ni,Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt (VIII б)]; 2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидов и 14 актиноидов).
Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет туособенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходитпри достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электроннаяструктура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, невсегда одинакова. Например, Cr и Мо (подгруппа VI б) имеют внешнююэлектронную структуру соответственно 3d54s1 и 4d55s1, тогда как у W она 5d46s2. В атоме Pd (подгруппа VIII 6)два внешнихэлектрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd наблюдается d10 вместо ожидаемого d8s2.
Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленныеслабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительнозаряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности(окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещениеводорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить,сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (вковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах];элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность(чем сильнее выражен электроположительный характер).
Если расположить металлы в последовательности увеличения их нормальныхпотенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей.Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу – отщелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аи – электроположительныйхарактер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н2из Н2О на холоду, а от Mg по Тl – при нагревании. Все металлы, стоящие в рядувыше Н2, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или принагревании). Металлы, стоящие ниже Н2, растворяются только вкислородных кислотах (таких, как концентрирированная H2SO4 при нагревании или HNO3), a Pt, Аи – только в царскойводке (Ir нерастворим и в ней).
Металлы от Li no Na легко реагируют с О2 на холоду;последующие члены ряда соединяются с О2 только при нагревании, a Ir, Pt, Аи в прямоевзаимодействие с О2 не вступают. Окислы металлов от Li no Al и от La no Zn трудно восстановимы; помере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислыпоследних его членов разлагаются на металлы и О2 уже при слабомнагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами)можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, темпрочнее соединение [3, стр. 133-134].
Физические свойства.
Большинство металлов кристаллизуется в относительно простыхструктурах – кубических и гексагональных ЛГУ, соответствующих наиболее плотнойупаковке атомов. Лишь небольшое число металлов имеет более сложные типыкристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий(температуры, давления) могут существовать в виде двух или болеекристаллических модификаций.
Электрические свойства. Удельная электропроводность металлов прикомнатной температуре σ~10-6–10-4ом-1см-1, тогда как у диэлектриков, например, у серы,σ~10-17ом-1см-1.Промежуточные значения σ соответствуют полупроводникам. Характернымсвойством металлов как проводников электрического тока является линейнаязависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрическогополя. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости,обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям,в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствиитепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречаютсопротивления на своём пути. Существование у реальных металлов электросопротивленияявляется результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Этинарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличиемпримесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. Натепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяниеэлектронов.
При нагревании металлов до высоких температур наблюдается«испарение» электронов с поверхности металлов (термоэлектронная эмиссия).Эмиссия электронов с поверхности металлов происходит также под действиемсильных электрических полей ~ 107в/см в результатетуннельного просачивания электронов через сниженный полем потенциальный барьер.В металлах наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичнойэлектронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад температурывызывает в металлах появление электрического тока или разности потенциалов
Тепловые свойства. Теплоёмкость металлов обусловлена как ионнымостовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом(электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация электронов проводимостив металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкостьмала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколькоградусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образомэлектронами проводимости.
Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f— и d-электронными оболочкамиявляются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурахпереходят в магнитоупорядоченное состояние. Магнитное упорядочение существенновлияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства: вэлектросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитныхмоментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты.
Магнитные свойства остальных металлов определяются электронамипроводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитнуювосприимчивости металлов, и диамагнитной восприимчивостью ионного состава.Магнитная восприимчивость X большинства металлов относительно мала (X ~ 10-6) и слабозависит от температуры.
Механические свойства. Многие металлы обладают комплексом механическихсвойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качествеконструкционных материалов. Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичностисо значит, прочностью и сопротивлением деформации, причёмсоотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощьюмеханических и термических обработки металлов, а также получением сплавовразличного состава.
Исходной характеристикой механических свойств металлов является модульупру гости G, определяющий сопротивление кристаллической решётки упругомудеформированию и непосредственно отражающий величину, сил связи в кристалле. Вмонокристаллах эта величина, как и остальные механические характеристики,анизотропна и коррелирует с температурой плавления металла (например, средниймодуль сдвига Gизменяется от 0,18-1011эрг/см3для легко плавкогоNa до 27•1011эрг/см3для тугоплавкого Re).
Сопротивление разрушению или пластической деформации идеального кристаллапримерно 10-1G. Но в реальных кристаллах эти характеристики, каки все механические свойства, определяются наличием дефектов, в первую очередьдислокация. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит кэлементарному акту скольжения – основному механизму пластической деформацииметалла. Важнейшая особенность металлов – малое сопротивление скольжениюдислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало вкристаллах с чисто металлической связью, которые обычно имеют плотноупакованныеструктуры. В металла с ковалентной компонентой межатомной связью, имеющихобъемно-центрированную решётку, сопротивление скольжению несколько больше,однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами. Сопротивлениепластической деформации, по крайней мере в металлах с гранецентрированнойкубической и гексагональной решётками, связано с взаимодействием движущихсядислокаций с др. дефектами в кристаллах, с др. дислокациями, примеснымиатомами, внутренними поверхностями раздела. Взаимодействие дефектовопределяется искажениями решётки вблизи них и пропорционально G. Для отожжённых монокристалловначальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно ~ 10-3–10-4G. Для монокристаллов металлов характерно наличиетрёх стадий деформационного упрочнения. На 1-й стадии значительная частьдислокаций выходит на поверхность и коэффициент упрочнения мал; на 2-й стадиидислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится существеннонеоднородным. На 3-й стадии плотность дислокации, G и коэффициент упрочненияуменьшаются вследствие аннигиляции дислокаций, выдавливаемых из их плоскостейскольжения. Значение этой стадии больше для металлов с объемно-центрированнойрешёткой.
При Т > 0,5 Тплв пластическойдеформации начинают играть существенную роль точечные дефекты, в первую очередьвакансии, которые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостейскольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация несопровождается упрочнением: металл течёт с постоянной скоростью при неизменнойнагрузке (ползучесть). Протекание процессов релаксации напряжений и постояннаяразрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металловпри их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металловразнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металловнередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностьюдислокаций внутри зёрен (рекристаллизация).
Достижимые степени деформации металлов ограничены процессомразрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растётнеравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местахсгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения – трещин. В реальныхкристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированномсостоянии (скопление примесей, частицы др. фаз и т.п.). Но вследствиепластичности металла деформация вблизи опасных мест снимает напряжения ипредотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокаций растёт,то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит кразвитию трещин (хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в металлах собъёмно-центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резкоуменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями иуменьшения числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения). Предотвращениехладноломкости – одна из важнейших технических проблем разработки конструкционныхметаллических материалов. Другая актуальная проблема – увеличение прочности исопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этихусловиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий.Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности – уменьшениедиффузионной подвижности точечных дефектов, в частности легированием.
Применяемые в технике конструкционные металлические материалыявляются поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны имогут существенно отличаться от свойств монокристаллов металлов. Межфазныеграницы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С другой стороны, они могутбыть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение) илидеформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и пространственноерасположение отдельных структурных составляющих многофазных систем(поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих вследствие фазовыхпревращений, или искусственно полученных композиций), а также регулируя состави дефектную структуру отдельных кристаллов, можно получить огромноеразнообразие механических свойств, необходимых для практического использованияметаллических материалов. [3, стр. 133-136].
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
Сталь.
Встроительстве сталь используют для изготовления конструкций, армированияжелезобетонных конструкций, устройства кровли, подмостей, ограждений, формжелезобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки стали обеспечиваетэкономный расход стали и успешную работу конструкции.
Дляизготовления несущих (расчетных) сварных и клепаных конструкций рекомендуютследующие виды сталей: мартеновскую – марок ВМСтЗпс (сп, кп), низколегированную– марок 15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД; природно-легированную – марок 15ХСНД,10ХСНД; кислородно-конвертерную – марок ВКСтЗсп (пс, кп).
Сталимарок Ст4 и Ст5 рекомендуют для конструкций, не имеющих сварных соединений, идля сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки.
Стальдля конструкций, работающих на динамические и вибрационные нагрузки ипредназначенных для эксплуатации в условиях низких температур, должнадополнительно проверяться на ударную вязкость при отрицательных температурах.
Кстали для мостовых конструкций предъявляют специальные требования (ГОСТ6713-75) по однородности и мелкозернистости, отсутствию внешних дефектов,прочностным и деформационным свойствам.
Дляармирования железобетонных конструкций сталь применяют в виде стержней,проволоки, сварных сеток, каркасов. Арматурная сталь может быть горячекатаная(стержневая) и холоднотянутая (проволочная). По форме сталь чаще всего бываеткруглая, а для улучшения сцепления – периодического профиля. В отдельныхслучаях для повышения механических свойств сталь обрабатывают наклепом иприменяют термическую обработку.
Стержневуюарматуру взависимости от механических свойств делят на классы: A-I, A-II, A-III, A-IV и др. При обозначениикласса термически упрочненной арматурной стали добавляют индекс «т» (например,Ат-III), упрочненную вытяжкой –«в» (например, А-Шв).
Арматурнаяпроволока можетбыть холоднотянутой класса B-I (низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса В-II (углеродистой) длянапрягаемой арматуры. Для обычного армирования преимущественно применяютарматурную сталь классов A-III (марок 25Г2С, 35ГС и др.), А-II (марок Ст5) иобыкновенную арматурную проволоку, а при особом обосновании также A-I (марки СтЗ) и А-IIв. Для предварительнонапряженного армирования используют высокопрочную проволоку, арматурные пряди иарматуру класса A-IV (марок ЗОХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц и другие низколегированные стали),а также упрочненную вытяжкой сталь класса А-IIIв (марок 35ГС, 25Г2С).
Сортаментпрокатного металла и металлоизделий в строительстве разнообразен: сортовая сталь,прокатная сталь листовая, уголки, швеллеры, двутавры, трубы и другие служатосновой для изготовления металлических конструкций (балки, колонны, фермы ит.д.). На сортаменты имеются ГОСТы наиболее рациональных типов профилей ичастоты их градаций.
Сортоваясталь:круглая (диаметром 10...210 мм) применяется для изготовления арматуры,скоб, болтов; квадратная (сторона квадрата 10...100 мм); полосовая (шириной12...20 мм) – для изготовления связей, хомутов, бугелей.
Стальлистовая включаетлисты 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.
Уголковыепрофили (равнополочныеи неравнополочные) выпускают площадью сечения 1,0...140 см2.
Швеллерыхарактеризуютсясечением швеллеров и определяются его номером, который соответствует высотестенки швеллера в сантиметрах.
Двутавры– основнойбалочный профиль – разнообразны по типам; обозначаются номером, соответствующимих высоте в сантиметрах. Трубы круглые имеют диаметр 8… …1620 мм. Трубы могутбыть квадратного и прямоугольного сечения.
Встроительстве также широко применяют специальные профили и металлическиематериалы: стальные канаты и проволоку, профилированные настилы ит.д. [2, стр. 323-325]
Чугуны.
Чугунаминазывают железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 %. углерода. Чугунобладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошоотливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.
Белыйчугун, вкотором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что иопределяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошуюсопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белыйчугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.
Серыйчугун содержитуглерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальнойуглерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовыевключения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образованиеграфита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когдачасть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит. В зависимостиот преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной илиферритоперлитной основе.
Свойствасерого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей.Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугунделается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатываетсярежущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметьпредел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе280 МПа.
Изсерого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие:колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводныеи канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головкии поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.
Ковкийчугун получаютпосле длительного отжига % белого чугуна при высоких температурах, когдацементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода наферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. Вотличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легчеобрабатываются.
Высокопрочные(модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладаютнекоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственныхдеталей.
Прииспытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности прирастяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна – предел прочностипри растяжении, относительное удлинение и твердость.
Примаркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые двецифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две – пределпрочности при изгибе. [2, стр. 325-326]
Цветные металлы и сплавы.
Сплавыцветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условияхагрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности,электропроводности и уменьшенной массы.
Медь– металлкрасноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью противатмосферной коррозии. Прочность невысокая: σв = 180...240 МПапри высокой пластичности δ>50%.
Латунь– сплавмеди с цинком (10...40 %), хорошо поддается холодной прокатке, штамповке, вытягиваниюσв=250...400 МПа, δ=35...15%. 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– сплавмеди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и другими элементами.Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры). При маркировкебронзы 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.Свойства бронзы зависят от состава: σв=150...2Ю МПа,δ=4...8%, НВ60 (в среднем).
Алюминий– легкийсеребристый металл, обладающий низкой прочностью при растяжении – σв=80...100 МПа, твердостью – НВ20, малой плотностью – 2700 кг/м3,стоек к атмосферной коррозии. В чистом виде в строительстве применяют редко(краски, газообразователи, фольга). Для повышения прочности в него вводятлегирующие добавки (Мn, Сn, Mg, Si, Fe) и используют некоторые технологические приемы. Алюминиевыесплавы делят на литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), идеформируемые (дюралюмины), идущие для прокатки профилей, листов и т.п.
Силумины– сплавыалюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими литейными качествами, малойусадкой, прочностью σв = 200 МПа, твердостью НВ50...70 придостаточно высокой пластичности δ=5...10%. Механические свойства силуминовможно существенно улучшить путем модифицирования. При этом увеличиваетсястепень дисперсности кристаллов, что повышает прочность и пластичностьсилуминов.
Дюралюмины—сложныесплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием (менее 0,8 %), марганцем (до 0,8%), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства улучшаюттермической обработкой(закалкой при температуре500...520°С с последующим старением). Старениеосуществляют на воздухе в течение 4...5 сут при нагреве на 170СС втечение 4...5 ч.
Термообработкаалюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с выделением твердыхдисперсных частиц сложного химического состава. Чем мельче частицыновообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел прочности дюралюминовпосле закалки и старения составляет 400...480 МПа и может быть повышен до550...600 МПа в результате наклепа при обработке давлением.
Впоследнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в строительстве длянесущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно применение дюралюминовдля конструкций в большепролетных сооружениях, в сборно-разборных конструкциях,при сейсмическом строительстве, в конструкциях, предназначенных для работы вагрессивной среде. Начато изготовление трехслойных навесных панелей из листовалюминиевых сплавов с заполнением пенопластовыми материалами. Путем введениягазообразователей можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий сосредней плотностью 100...300 кг/м3. йг
Всеалюминиевые сплавы поддаются сварке, но она осуществляется более трудно, чемсварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов Аl2О3.
Особенностямидюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое значение модуля упругости,примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние температуры (уменьшениепрочности при повышении температуры более 400°С и увеличение прочности ипластичности при отрицательных температурах); повышенный примерно в 2 раза посравнению со сталью коэффициент линейного расширения; пониженная свариваемость.
Титанзапоследнее время начал применяться в разных отраслях техники благодаря ценнымсвойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м3)по сравнению со сталью, высоким прочностным свойствам, повышеннойтеплостойкости. На основе титана создаются легкие и прочные конструкции суменьшенными габаритами, способные работать при повышенных температурах. [2,стр.326-328]
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология металлов и сварка. Подред. П.И. Полухина. М. Высшая школа. 1977.
2. Строительные материалы. А.Г.Домокеев. М. Высшая школа. 1989
3. Большая советская энциклопедия. Подред. А.М. Прохорова. М. изд. «Советская энциклопедия». 1974.