Свойства каменного литья. Изделия из каменного литья по своей однородности и техническим свойствам превосходят природные каменные материалы.
Плотность каменного литья 2700...3000 кг/м3; пористость -- не более 1...2%; поры замкнутые, что обеспечивает нулевое водопоглощение и высочайшую морозостойкость.
Прочность при сжатии составляет 200...250 МПа, при изгибе -- 30...50 МПа, твердость 6...7 (по шкале Мооса), износостойкость очень высокая. Для каменного литья характерна очень высокая и универсальная химическая стойкость.
Применение. Литые каменные изделия используют для облицовки конструкций, подвергающихся серьезным агрессивным воздействиям: многократному замораживанию-оттаиванию, интенсивному истиранию, воздействию химически агрессивных веществ и т. п. Поэтому основными видами литых каменных изделий являются облицовочные плитки, брусчатка для мощения дорог, мелющие тела и облицовка для мельниц, труб. Диэлектрические свойства каменного литья используются в производстве электроизоляционных изделий.
Каменное литье светлых тонов применяют как материал для облицовки уникальных зданий и сооружений, а также для изготовления архитектурных деталей и скульптуры.
Тема №9. Металлы и сплавы в строительстве
Промышленный потенциал любой державы в значительной мере определяется объемом производства металлов. Исключительно важное значение металлов в современной технике и строительстве объясняется их ценными свойствами: высокой прочностью, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, хорошими литейными свойствами, способностью работать при низких и высоких температурах, свариваемостью. Однако большинство из них имеют высокую плотность и сильно корродируют под действием различных газов и влаги.
Классификация металлов
ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ - это сплавы железа с углеродом. К ним относятся: сталь, содержащая углерода до 2 %, и чугун, содержащий углерода от 2% до 6,67%.
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ:
- легкие ( Al, Mg, Be );
- тяжелые ( Cu, Ni, Zn, Cr, Pb, Sn );
- редкие ( Ti, W, Mo, Zr );
- благородные ( Au, Pt, Ag );
Строение металлов
Все металлы имеют кристаллическое строение. Наиболее распространенные кристаллические решетки металлов: объемно-центрированный и гранецентрированный куб,гексогональная.
Физико-механические свойства чистых металлов определяются природой атомов, образующих их кристаллическую решетку, и структурой самого металла.
На микро- и макроструктуру металлов существенное влияние оказывают условия их затвердевания и дальнейшего охлаждения.При охлаждении расплава металла до температуры несколько ниже температуры плавления в жидкости возникают отдельные высокодисперсные кристаллические образования, так называемые центры кристаллизации или зародыши. При дальнейшем охлаждении происходит рост кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей.
В условиях несвободной кристаллизации кристаллы получаются неправильной формы и называются кристаллитами или зернами. Чем мельче зерна, тем прочнее и пластичнее металл. Величина зерна зависит от числа зародышей и от линейной скорости кристаллизации: чем больше число зародышей и меньше линейная скорость кристаллизации, тем мельче кристаллы.
Оба эти параметра зависят от скорости охлаждения и степени переохлаждения расплава чистого металла. Чем выше скорость охлаждения, тем глубже и степень переохлаждения, что вызывает возрастание числа зародышей и, как следствие, образование более мелких кристаллов.
Температура перехода металла из жидкого состояния в твердое называется первичной температурой кристаллизации t Температура перехода в твердом состоянии из одной кристаллической модификации в другую (явление аллотропии) называется вторичной температурой кристаллизации или критической t .
Рис. 9.1. Кривая охлаждения расплава.
На кривых охлаждения (рис. 1) эти температуры отмечены горизонтальными участками, так как процесс кристаллизации идет с выделением тепла, поэтому в момент аллотропных превращений и первичной кристаллизации понижение температуры в системе не происходит.
Свойства металлов
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, коэффициент температурного расширения.
Цвет большинство металлов имеют серебристо-белый, серебристо-серый с характерным металлическим блеском.
Плотность большинства тяжелых металлов превышает 7000кг/м, а плотность легких составляет не более 3000кг/м .
Температура плавления металлов строго определенная, однако меняется при добавке к нему других металлов. Большинство сплавов на основе железа имеют температуру плавления ниже, чем составляющие его компоненты.
Все металлы хорошо проводят тепло и электричество.
При нагревании металлы увеличиваются в размерах, что характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения.
Это необходимо учитывать при их эксплуатации.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: прочность, твердость, ударная вязкость, ползучесть.
ПРОЧНОСТЬ - способность металла сопротивляться возникающим внутренним напряжениям под действием внешних сил, вызывающих растяжение, сжатие, изгиб, кручение.
Для большинства металлов универсальным испытанием на прочность является растяжение, но для серого чугуна - на сжатие и изгиб.
При испытании металлов на растяжение различают предел упругости, предел текучести, предел прочности. Основным расчетным показателем для металлических конструкций является предел текучести.
Рис. 9.2. Диаграмма растяжения металлов.
ур = Nр /Fо - предел пропорциональности, то наибольшее напряжение, при котором деформация растет пропорционально нагрузке.
уs = Ns /Fs - предел текучести, то наименьшее напряжение, при котором деформация растет без заметного увеличения нагрузки.
ув = Nв /Fо - предел прочности, то напряжение, которое соответствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.
ук = Nк /Fо - истинный предел прочности, то напряжение, при котором произошло разрушение образца при концентрации напряжения в одной точке.
Fо - первоначальное сечение образца,мм2 .
у - напряжение, кгс/мм2 (Н/м2 ), 1кгс/мм2 = 10 МПа.
lо - длина образца первоначальная, мм.
lr - длина образца после разрушения, мм.
? - абсолютное удлинение образца, равное ? = lк - lо , мм.
Е - относительное удлинение образца, равное Е = ? /lо .
Испытание на изгиб проводится для листового металла толщиной не более 30 мм на прессе для определения его способности принимать заданный по размерам и форме изгиб. При этом на поверхности изгибаемого образца не должны появляться трещины, надрывы, расслоение или излом.
Испытанием на удар определяют хрупкость металла или его способность работать в условиях динамических нагрузок. Чем пластичнее металл, тем лучше он переносит ударные нагрузки. Испытание на удар производят на специальных маятниковых копрах, применяя стандартные образцы с надрезом. Удельная ударная вязкость
ау = Ар /F,
где А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж/м2;
F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,м2.
УСТАЛОСТЬ определяется у металлов, работающих в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, крутящих, ударных и других нагрузок.
ПОЛЗУЧЕСТЬ металлов - это процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиться значительная деформация металлической конструкции, а иногда и ее разрушение. Таким образом, ползучесть лимитирует длительность эксплуатации конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур.
ТВЕРДОСТЬ металла определяется противодействием вдавливанию в его поверхность твердого стального шарика ( метод Бринелля, НВ ), алмазного конуса ( метод Роквелла, HR ), алмазной призмы ( метод Виккерса, HV ). Чем выше твердость, тем меньше будет величина отпечатка на поверхности металла.
Числа твердости ( НВ, НR, HV ) вычисляются по эмпирическим формулам, которые приводятся в справочной литературе.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - это пластичность, определяющая ковку, прокатку, волочение; резанье и сварка, определяющие способность металла подвергаться сварке и резанью; способность подвергаться термической и химико-термической обработке с целью улучшения механических свойств металлических изделий.
ЧУГУНЫ.
Производство чугуна - первичный процесс получения черных металлов из природного сырья. Сырье для производства чугуна: железные руды, флюсы и кокс. Наиболее часто используемые железные руды:
магнитный железняк ( Fе3О4 ),
красный железняк ( Fе2О3 ),
бурый железняк ( 2Fе2О3*3Н2О ),
шпатовый железняк ( FеСО3 ),
которые содержат 30...70 % железа, пустую породу из различных природных химических соединений ( SiO2, Al2O3 и др.), и вредные
примеси ( сера, фосфор).
Флюсы - известняк СаСО3 или доломит СаСО3*МgСО3, если в пустой породе содержится большое количество кислотных оксидов, кварц, кварцит, песчаник, если в пустой породе имеется повышенное содержание основных оксидов. Флюсы вводятся для понижения температуры плавления пустой породы, для ошлаковывания золы топлива и удаления вредных примесей.
Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа. При его горении выделяется большое количество тепла
С + О2 = СО2 + 402 192 Дж.
При последующем продвижении в домне снизу вверх СО встречается с кусками раскаленного кокса и восстанавливается его углеродом по реакции
С + СО2 = 2СО - 157 920 Дж.
Максимальная температура доменного процесса составляет 1900 С.
Восстановление железа в домне идет по схеме
Fe2O3>Fe3O4>FeO>Fe
с образованием губчатого железа. В поры губчатого железа проникает углерод, и железо науглероживается (до 3,5...4 %) по реакции
3Fе + 2СО = Fе3С + СО2 .
Далее науглероженный металл расплавляется и стекает в горн доменной печи, при этом происходит его дальнейшее насыщение углеродом за счет соприкосновения с раскаленным коксом.
При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям:
SiO2 + 2C = Si + 2CO;
MnO + C = Mn + CO;
Р2О5 + 5С = 2Р + 5СО.
Эти элементы, а также часть серы в виде FеS, переходят в чугун.
Продукты доменного производства: чугун, накапливающийся в нижней части горна, огненно-жидкие шлаки, как более легкие, собирающиеся поверх чугуна, и доменный газ, выходящий из верхней части домны.
ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо длянужд металлургической промышленности.
ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлакопортландцемента, заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п.
ЧУГУН - литейный, передельный и ферросплавы.
Передельный чугун составляет 80...90 % всей выплавки, цвет его белый, так как весь углерод связан с железом в Fе С, идет на переделку в сталь. Из белого чугуна, кроме того, получают ковкий чугун путем длительного отжига при высоких температурах, что вызывает частичный распад карбида железа. Ковкий
чугун более прочен и пластичен, легче обрабатывается.
Литейный чугун серый (СЧ) за счет свободного углерода, который в виде графитовых пластин перерезает металлическую основу чугуна; применяется для конструкций, работающих на сжатие, для санитарно-технических и архитектурно-художественных изделий, плит для пола и др.
Модифицированный серый чугун (МСЧ) имеет более высокие механические свойства за счет шаровидной раздробленной формы графита; применяется для отливок ответственных деталей.
Механические свойства чугунов
Вид чугуна Предел прочности Предел прочности на растяжение. ПМа на сжатие, МПа
СЧ 120...280 280.. .480
МСЧ 280...480 380... 600
Ферросплавы - специальные чугуны,в которых содержание углерода может достигать 5 % и более. Кроме того они содержат повышенное количество кремния и марганца:
ферросилиций - Si - 9...13 %,
ферромарганец - Mn - 10...25 % или 70...75 %.
Применяют их для раскисления и легирования стали.
СТАЛЬ.
Сталь получают из передельного чугуна, содержащего до 4 % углерода, 1% марганца, до 1,3 % кремния, десятые доли процента серы и фосфора.
Сущность процесса сталеварения заключается в окислении излишнего содержания углерода и примесей, содержащихся в чугуне , кислородом воздуха и кислородом руды. Этому процессу способствует образующаяся в начале плавки закись железа
2Fe + O2 = 2FeO и далее
FeO + C = CO + Fe.
Так как излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов по следующей схеме
FeO + Mn > MnO + Fe ;
2FeO + Si > SiO2 + Fe ;
3FeO + 2Al > Al2O3 + 3Fe.
Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком.
В зависимости от степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь. Спокойная сталь (сп),в которой нет закиси железа, наиболее качественная и дорогая. Кипящая сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, и в ней имеются пузырьки газа СО, при разливке в изложницы " кипит". Она дешевле спокойной стали, но качество ее ниже, хотя она сваривается и удовлетворительно обрабатывается, но при температуре -10 С она становится хрупкой. Полуспокойная сталь (пс) по своим свойствам занимает промежуточное положение между двумя первыми.