При большом содержании никеля легированный аустенит сохраняется в сталях до комнатных температур. При большом содержании хрома сталь состоит только из легированного феррита, а г -Fe вообще не образуется.
Классификация легированных сталей
По структуре легированные стали делятся на классы.
ПЕРЛИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают структуру, близкую к равновесной. Это строительные и машиностроительные стали.
АУСТЕНИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают аустенитную структуру. Это жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные и нержавеющие стали.
ФЕРРИТНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют ферритную структуру при любой скорости охлаждения. Они не воспринимают закалку. Это жаропрочные, жаростойкие и специальные магнитные стали.
КАРБИДНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют твердость и режущую способность при повышенных температурах.
По назначению легированные стали делятся на
- конструкционные (строительные и машиностроительные),
- инструментальные (изготовление режущего инструмента),
- стали с особыми физико-механическими свойствами.
По содержанию легирующих элементов стали делятся на
- низколегированные (легирующих элементов до 2,5%),
- среднелегированные (легирующих элементов 2,5...10%),
- высоколегированные (легирующих элементов более 10%).
Маркировка легированных сталей
Марка легированных сталей содержит информацию о среднем содержании входящих в нее легирующих элементах в процентах и среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например марка легированной стали 35ХН3М означает, что сталь содержит 0,35% углерода, по 1% хрома (Х) и молибдена (М) и 3% никеля (Н).
Обозначение легирующих элементов: Г - марганец, С - кремний, Д - медь, Х - хром, Н - никель, Ц - циркон, Т - титан, Ю - алюминий и т.д.
Применение легированных сталей
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ обладают по сравнению с обычной углеродистой сталью рядом преимуществ. Их предел текучести превышает на 30% и более предел текучести обычной Ст3.Они высокопластичны, меньше склонны к хладноломкости (критические температуры перехода низколегированных сталей в хрупкое состояние лежат ниже минус 40?С, а у отдельных марок ниже -60?С), хорошо сваривается. Для их сварки не требуется ни предварительного разогрева, ни последующей термической обработки для снижения напряжений. Коррозионная стойкость их в 1,5 раза выше, чем у стали марки Ст3.
Для сварных и клепаных несущих конструкций рекомендуются низколегированные конструкционные стали марок 14Г2, 15ГС, 10Г2С, 10Г2СД и природно-легированные стали марок 10ХСНД и 15ХСНД.
Для обычной арматурной проволоки рекомендуется сталь марок 25Г2С, 35ГС и д.р.
Для предварительно напряженной арматуры - сталь марок 30ХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц и д.р.
ЖАРОСТОЙКИЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ длительное время выдерживают действие высоких температур без образования на них окалины. Легирующие элементы группы хрома образуют тонкие окисные пленки на поверхности стали, защищая основной металл от окисления газами при повышенных температурах. Однако они не
должны испытывать при этом механических нагрузок.
ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ имеют высокую окалиностойкость и сохраняют, кроме того, свои механические свойства при высоких температурах. Это обычно высоколегированные хромо-никелевые стали.
Цветные металлы и сплавы
АЛЮМИНИЙ - легкий серебристый металл, обладающий малой плотностью - 2700 кг/м3, малой твердостью - НВ = 20, низкой прочностью на растяжение, высокой атмосфероустойчивостью. В строительстве широко применяются сплавы алюминия с легирующими добавками (Mn, Cu, Mg, Si, Fe), повышающими его прочность.
Сплавы алюминия делятся на литейные (силумины) и деформируемые (дюралюмины), идущие на прокатку профилей, листов и т.д. Алюминиевые сплавы приближаются по прочности к основным маркам строительных сталей, но легкие и имеют высокую коррозионную стойкость.
СИЛУМИНЫ - сплавы алюминия с кремнием (до 14%), обладающие высокой прочностью (предел прочности 200 МПа), твердостью НВ = 50...70, при достаточно высокой пластичности. Силумины характеризуются высокими литьевыми качествами.
ДЮРАЛЮМИНЫ - сложные сплавы алюминия с медью, кремнием, марганцем, магнием и др. Предел прочности дюралюминов после термической обработки составляет 400...480 МПа.
Применение дюралюминов особенно эффективно для конструкций большепролетных сооружений, в сборно-разборных конструкциях, в сейсмическом строительстве, в конструкциях, работающих в агрессивных средах. Используется он в виде проката - уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечения.
Из листов алюминиевых сплавов изготавливают трехслойные навесные панели с заполнением пенопластом. Вводя газообразователь, получают высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100...300 кг/м3.
Дюралюмин, как конструкционный материал, имеет низкое значение модуля упругости, прочность его понижается при температурах выше 400?С и повышается при отрицательных температурах, коэффициент линейного расширения примерно в 2 раза выше чем у стали, характеризуется пониженной свариваемостью.
ТИТАН обладает высокой коррозионной стойкостью, меньшей по сравнению со сталью плотностью (4500 кг/м3), высокими прочностными свойствами, повышенной теплостойкостью.
На его основе создаются легкие и прочные конструкции, способные работать при повышенных температурах.
МЕДЬ - металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. При высокой пластичности обладает невысокой прочностью.
Сплавы на основе меди - это латунь, бронза, баббиты.
Латунь - сплав меди и цинка, бронза - сплав меди и олова. Оба эти сплава прочны, обладают высокими антифрикционными свойствами, поэтому их широко применяют для изготовления кранов и вентилей.
Баббиты - сплавы меди, свинца и олова, применяются для изготовления подшипников.
ЦИНК - применяется для кровельных покрытий, карнизов, водосточных труб.
СВИНЕЦ - применяется для особых видов изоляции, для футеровки химических аппаратов.
Коррозия металлов
Различают два вида коррозии - химическую и электрохимическую.
ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ возникает при действии на металл при высоких температурах сухих газов, масел, бензина, керосина, окислителей, кислорода воздуха.
При 200...300?С на стальных изделиях появляется пленка из продуктов коррозии, которая до определенной температуры выполняет роль защитной пленки. Поэтому до 600?С скорость газовой коррозии очень мала, но с ростом температуры защитные действия пленки прекращаются. Чем выше температура, тем быстрее разру-шается пленка и ускоряется коррозия.
Однако легированные стали могут нагреваться без признаков коррозии до более высоких температур.
Алюминий при высоких температурах покрывается тонкой защитной пленкой. которая сохраняется до температуры плавления.
Поэтому добавка алюминия повышает химическую стойкость стали.
Медь защитную пленку образует на воздухе при обычных температурах. Добавка к ней алюминия и бериллия делает ее жаростойкой, сопротивляемость меди к окислению резко повышается.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ возникает при действии на металл растворов кислот и щелочей, в результате чего на корродирующей поверхности металла возникает множество микрогальванических элементов, вырабатывающих электрический ток. При этом металл отдает свои ионы электролиту, а сам постепенно разруша-ется.
Коррозия может быть местной, когда разрушение металла идет на отдельных участках, равномерной - металл одинаково разрушается по всей поверхности и межкристаллитной - разрушение идет уже по границам зерен.
Способы защиты металла от коррозии
1) Покрытие металла различными красками, лаками, эмалями, полимерными материалами.
2) Легирование стали.
3) Воронение - получение на поверхности металла защитного слоя, состоящего из оксидов данного металла.
4) Покрытие металла пленкой из другого металла, менее подверженного коррозии в данных условиях.
Металлические покрытия наносятся горячим и гальваническим методами и металлизацией. Горячий метод - изделие погружают в ванну с расплавленным защитным металлом, температура плавления которого ниже температуры плавления изделия. Гальванический метод - изделие погружают в солевой раствор в качестве катода, а осаждаемый металл служит анодом; при действии постоянного электрического тока на изделии создается тонкий слой защитного покрытия. Металлизация - покрытие поверхности изделия расплавленным металлом, распыляемым сжатым воздухом.
5) Оксидирование - создание на поверхности металла пассивирующей пленки в кислой или щелочной среде в присутствии сильных окислителей (концентрированная азотная кислота, растворы марганцевой и хромовой кислоты), так называемое катодное окисление.
6) Фосфатирование - получение на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца путем погружения металла в горячие растворы кислых фосфатов железа или марганца.
Производство металлических изделий
ПРОКАТКА - обжатие стального слитка, разогретого до температуры 900...1250?С, до требуемой формы и размеров путем пропуска его через ряд валков с уменьшающимся зазором.
Прокаткой получают балки, рельсы, листовую и прутковую сталь, арматуру, трубы. После прокатки изделия подвергают необходимой термической обработке.
КОВКА - процесс деформации металла под действием повторяющихся уларов молота или пресса. Ковка может быть свободной, когда металл под ударами молота растекается свободно, и штампованная, когда металл под ударами молота заполняет формы штампа, а избыток его вытекает в специальную канавку и отрезается.
Штамповка позволяет получить изделия очень точных размеров. Клепка также относится к операциям ковки.
ВОЛОЧЕНИЕ - протягивание металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки, металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме отверстия. Заготовки - это предварительно прокатанный или прессованный пруток или труба.
Волочение проводят в холодном состоянии, изделие получается точных профилей и с гладкой поверхностью.
Волочением изготавливают трубки, круглые, квадратные и шестигранные прутки.
Сварка металлов
Сварку металлов классифицируют по виду используемой энергии на газовую и электрическую, по состоянию металла в зоне сварки на пластическую и сварку плавлением.
Газовая сварка заключается в расплавлении металла в месте стыка деталей теплом, получаемым при горении газа или жидкого топлива в смеси с кислородом.
В качестве горючего газа чаще всего применяется смесь ацетилена и кислорода. Для заполнения шва используют сварную проволоку, близкую по составу металла свариваемым деталям.
Применяют газовую сварку для соединения тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и чугуна.
В строительстве она имеет ограниченное применение из-за высокой стоимости по сравнению с электросваркой.
Электрическая сварка производится за счет тепла, выделяемого электрическим током; она подразделяется на
- электрическую сварку сопротивлением или контактную сварку (стыковую, точечную и роликовую),
- электродуговую сварку,
- газодуговую сварку.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ или контактная сварка - это процесс соединения деталей путем нагрева их до пластического состояния с последующим сдавливанием, которое облегчает взаимное проникновение атомов одного металла в другой.
Контактная сварка - один из производительных видов сварки давлением. Процесс сварки можно легко механизировать и автоматизировать, поэтому ее широко применяют в машиностроении и строительстве.
СТЫКОВАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ заключается в том, что изделие помещают в зажимы машины, прижимают друг к другу, затем включают ток. После нагрева металла в местах контакта происходит сварка.
СТЫКОВАЯ СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ заключается в том, что расплавление металла в местах контакта происходит при непрерывном сближении торцов свариваемых деталей. После полного сближения происходит сварка при их механическом сжатии.
Стыковую сварку используют для продольного соединения деталей арматуры, наращивание стержней, колонн и т.д.
ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА применяется для соединения деталей " внахлестку" или в месте их пересечения; их зажимают между двумя электродами, на которые подается ток большой силы. Сварка происходит за доли секунды.
Применяется она для изготовления сеток и каркасов арматуры железобетона.
РОЛИКОВАЯ СВАРКА применяется для соединения листового металла. От точечной сварки она отличается тем, что стержневые электроды в ней заменены вращающимися роликами, которые захватывают листы и создают непрерывный шов.