Металлы в строительстве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра строительных материалов

РЕФЕРАТ

На тему: «Металлы в строительстве»

                                                                           Выполнили: студенты группы 1ВВ102             

Мухаметханова А., Приданникова Р.                                                                                             

                                                     Проверила: Камалова З.А.

Казань 2012

Содержание

Введение …………………………………………………………………………...... 3

1. Классификация металлов ....................................................................................... 4

1.1. Сталь углеродистая обыкновенного качества ................................................... 4

1.2. Сталь углеродистая качественная конструкционная ........................................ 6

1.3. Сталь легированная .............................................................................................. 7

2. Строение металлов .................................................................................................. 10

3. Свойства металлов .................................................................................................. 13

3.1. Химические свойства ........................................................................................... 13

3.2. Физические свойства ........................................................................................... 14

4. Применение металлов в строительстве ................................................................. 19

Заключение .................................................................................................................. 25

Список литературы ..................................................................................................... 26

Введение

Металлы (от латинского metallum - шахта, рудник) - группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло - и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск. [5, с.30]

Наука о металлах развивается широкими темпами во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы. [3, с.267]

В современном строительстве металл имеет не менее важное значение, чем бетон, железобетон, каменные и лесные материалы. Из стального проката возводят каркасы промышленных зданий и сооружений, башни, мачты, опоры, мосты, эстакады, резервуары. Широко используют в строительстве и такие металлические изделия, как арматура для железобетона, трубы, болты, заклепки, гвозди. Особое значение в современном строительстве приобрели легкие металлические конструкции зданий и сооружений, применение которых способствует уменьшению трудоемкости, продолжительности и стоимости их монтажа.

Широкое применение металла в строительстве объясняется главным образом наличием свойств, выгодно отличающих его от других строительных материалов,— это высокая прочность, способность к значительным упругим и пластичным деформациям; металл относительно легко поддается обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке) и литью; из него можно получать изделия любых профилей. [4, с.129]

1. Классификация металлов

В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%) и незначительное – сплавы цветных металлов (рис. 1) [1, с.288]

Рис. 1. Классификация металлов и сплавов.

1.1. Сталь углеродистая обыкновенного качества

Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода (рис. 2). При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость. [6, с.324]

Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы – красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04...0,09 %, а серы 0,04…0,7 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве 0,8...1 % не оказывают практически влияния на механические свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает пластичность. [5, с.35]

Рис. 2. Влияние углерода на механические свойства отожженных сталей.

При обозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым сталь поставляется («А» – по механическим свойствам, «Б» – по химическому составу, «B» – по механическим свойствам и дополнительным требованиям по химическому составу); методу производства («М» – мартеновский, «Б» – бессемеровский, «K» – кислородно-конвертерный); дополнительные индексы («сп» – спокойная сталь, «пс» – полуспокойная Сталь, «кп» – кипящая сталь). В группе «А» индекс «М» часто опускается, но имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии индексов «сп», «пс», «кп» имеется в виду сталь спокойная. [3, с.129]

Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на 12 -15 % дороже  кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, но в результате и незначительного расхода раскислителей стоимость ее меньше, чем спокойной.

Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки. В таблице 1 приведены нормы на механические свойства стали углеродистой обыкновенного качества (группа А). [6, с.318]

Таблица 1

Сталь углеродистая обыкновенного качества.

1.2. Сталь углеродистая качественная конструкционная

Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая). В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: I – с нормальным содержанием марганца и II – с повышенным содержанием марганца. Марки стали и требования к механическим свойствам стали I группы в состоянии нормализации приведены в таблице 2. В марке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термически обработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная). [6, с.327]

Инструментальные качественные углеродистые стали предназначены для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,..., У13). Высококачественные стали имеют низкое содержание серы (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03%), меньше неметаллических включений, обладают повышенными механическими свойствами. В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А. [8, с.224]

Таблица 2

Сталь углеродистая качественная по ГОСТ 2050-74

1.3. Сталь легированная

При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V) достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости). [1, с.293]

Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас3, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения и снижается опасность появления закалочных трещин. [3, с.128]

Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре.

- По назначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особыми физико-химическими свойствами.

Для обозначения марок сталей принята буквенно – цифровая система. Легирующие элементы обозначаются 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. Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в 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, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo. [9, с.178]

- По химическому составу легированные стали делят на три класса: низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов, например нержавеющая сталь 1Х18Н9.

- В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная и карбидная (ледебуритная). Большинство конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов (не более 5...6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием.

Основным преимуществом легированных сталей по-сравнению со сталью марки СтЗ является их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии. [9, с. 163]

2. Строение металлов

Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.

Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.

Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.

Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью. [3, с.298]

Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку. [4, с.169]

Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б – гранецентрированный.

Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, то есть способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. [8, с.325]

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 4) в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании. [6, с.324]

Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа

Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами. [1, с.324]

В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами. [8, с.326]

3. Свойства металлов

3.1. Химические свойства

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s-и p-электронных оболочек. В атомах 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 и актиноиды. В подгруппы а входят 22 металла. В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы; 2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидов и 14 актиноидов).

Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова. Например, Cr и Мо (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d54s1 и 4d55s1, тогда как у W она 5d46s2. В атоме Pd (подгруппа VIII 6) два внешних электрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd наблюдается d10 вместо ожидаемого d8s2. [2, с.89]

Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность (способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах); элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер). [1, с.342]

Если расположить металлы в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей. Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу – от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аu – электроположительный характер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н2 из Н2О на холоду, а от Mg по Тl – при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду выше Н2, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). Металлы, стоящие ниже Н2, растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрирированная H2SO4 при нагревании или HNO3), a Pt, Аи – только в царской водке (Ir нерастворим и в ней). [8, с.283]

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 прямое взаимодействие с О2 не вступают. Окислы металлов от Li no Al и от La no Zn трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на металлы и О2 уже при слабом нагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем прочнее соединение. [3, с.133]

3.2. Физические свойства

Большинство металлов кристаллизуется в относительно простых структурах – кубических и гексагональных, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число металлов имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций. [6, с.258]

- Электрические свойства. Удельная электропроводность металлов при комнатной температуре σ~10-6–10-4 ом-1 см-1, тогда как у диэлектриков, например, у серы, σ~10-17 ом-1 см-1. Промежуточные значения σ соответствуют полупроводникам. Характерным свойством металлов как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово – механическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных металлов электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов.

При нагревании металлов до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности металлов (термоэлектронная эмиссия). Эмиссия электронов с поверхности металлов происходит также под действием сильных электрических полей ~ 107 в/см в результате туннельного просачивания электронов через сниженный полем потенциальный барьер. В металлах наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно – электронной эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах появление электрического тока или разности потенциалов. [3, с.311]

- Тепловые свойства. Теплоёмкость металлов обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколько градусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образом электронами проводимости. [3, с.325]

- Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние. Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты.

Магнитные свойства остальных металлов определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости металлов, и диамагнитной восприимчивостью ионного состава. Магнитная восприимчивость X большинства металлов относительно мала (X~10-6) и слабо зависит от температуры. [1, с.348]

- Механические свойства. Многие металлы обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качестве конструкционных материалов. Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности со значит, прочностью и сопротивлением деформации, причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механических и термических обработки металлов, а также получением сплавов различного состава. [1, с.325]

Исходной характеристикой механических свойств металлов является модуль упругости G, определяющий сопротивление кристаллической решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину, сил связи в кристалле. В монокристаллах эта величина, как и остальные механические характеристики, анизотропна и взаимодействует с температурой плавления металла (например, средний модуль сдвига G изменяется от 0,18-1011 эрг/см3 для легко плавкого Na до 27*1011 эрг/см3). [7, с.45]

Сопротивление разрушению или пластической деформации идеального кристалла примерно 10-1 G. Но в реальных кристаллах эти характеристики, как и все механические свойства, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокация. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к элементарному акту скольжения – основному механизму пластической деформации металла. Важнейшая особенность металлов – малое сопротивление скольжению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлической связью, которые обычно имеют плотноупакованные структуры. В металла с ковалентной компонентой межатомной связью, имеющих объемно - центрированную решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами. Взаимодействие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорционально G. Для отожжённых монокристаллов начальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно ~ 10-3 – 10-4 G. Для монокристаллов металлов характерно наличие трёх стадий деформационного упрочнения. На 1-й стадии значительная часть дислокаций выходит на поверхность и коэффициент упрочнения мал; на 2-й стадии дислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится существенно неоднородным. На 3-й стадии плотность дислокации, G и коэффициент упрочнения уменьшаются вследствие аннигиляции дислокаций, выдавливаемых из их плоскостей скольжения. Значение этой стадии больше для металлов с объемно-центрированной решёткой. [9, с.217]

При Т > 0,5 Тпл в пластической деформации начинают играть существенную роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: металл течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть). Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металлов при их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металлов разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металлов нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен (рекристаллизация). [5, с.45]

Достижимые степени деформации металлов ограничены процессом разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения – трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей, частицы других фаз). Но вследствие пластичности металла деформация вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокаций растёт, то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин (хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в металлах с объёмно-центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения). Предотвращение хладноломкости – одна из важнейших технических проблем разработки конструкционных металлических материалов. Другая актуальная проблема – увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности – уменьшение диффузионной подвижности точечных дефектов, в частности легированием. [2, с.86]