Общие сведения о металлических материалах

                                                                                                                               2  
 
 
 

Содержание

       Введение

1. Общие сведения.
2. Стальная арматура для железобетонных конструкций.
3. Чугун.
4. Цветные металлы.
5. Заключение.
6. Ссылки.

                                                                                                     3

1. Общие сведения о металлических материалах 

          Развитию металлургической промышленности уделяется особое внимание. Характерная особенность отечественной черной металлургии — высокая концентрация производства. В доменном процессе широко применяются природный газ, аргонная продувка при производстве электростали, способ получения специальных сталей электрошлаковым переплавом (ЭШП), электролучевой плавкой (ЭЛП), плазменнодуговым переплавом (ПДП) и др. На некоторых сверхмощных доменных печах воздухонагреватели впервые в мировой практике домностроения смонтированы из рулонных заготовок, изготовленных в заводских условиях методом сворачивания.

           Эти печи представляют собой сложные сооружения с высоким уровнем механизации и автоматизации технологических процессов, с применением электроники и счетно-решающих устройств. Для дальнейшего совершенствования работы доменных печей намечена широкая автоматизация процессов производства. Большое внимание уделяется развитию кислородно-конверторного производства стали. Широко развивается эффективный способ непрерывной разливки стали, обеспечивающий получение безусадочных и бездефектных слитков. Вводятся в строй мощные современные трубопрокатные агрегаты, осваивается выпуск труб улучшенного качества для нефтепромыслов и газовых магистралей.

          Одной из важнейших проблем металлургии является процесс прямого восстановления железа из руды. За последнее время созданы новые высокопрочные так называемые мартенсито-стареющие легированные стали с высокой пластичностью и обрабатываемостью. Для упрочнения металлов широко применяют такие средства воздействия, как ультразвук, высокое давление, магнитные поля и др.

          Огромное значение имеет предохранение металла различными защитными средствами от коррозии. В ближайшем будущем прокатная продукция металлургических заводов будет выпускаться с антикоррозионными покрытиями. Несмотря на то, что синтетическим материалам и заменителям металлов уделяется в нашей стране большое внимание, значение цветных металлов и их сплавов в строительстве остается большим. Среди них особая роль принадлежит алюминию и его сплавам.

          Предприятия по производству цветных металлов оснащают установками по комплексному извлечению свинца, цинка, кадмия, германия, селена, индия, галлия и других металлов-спутников. С развитием металлургической промышленности в стране увеличивается выход металлургических шлаков. Перед металлургами и строителями поставлена задача полного использования шлаков в строительстве. 

4

2. Стальная арматура  для железобетонных  конструкций

          По функциональному назначению арматура подразделяется на рабочую, конструктивную (распределительную) и монтажную. Рабочая арматура воспринимает усилия, возникающие под действием нагрузок на конструкцию и ее собственной массы. Количество арматуры рассчитывают в соответствии с этими нагрузками. В зависимости от ориентации в железобетонной конструкции рабочая арматура может быть продольной или поперечной.

        Продольная рабочая арматура воспринимает усилия растяжения или сжатия, действующие по продольной оси элемента. Например, в изображенной на  55 балке, опирающейся по концам, продольная рабочая арматура выполнена из стержней 2, 3, 5, которые сопротивляются растягивающим усилиям в нижней зоне конструкции. Для восприятия усилий, действующих при изгибе под углом 45° к продольной оси балки, стержни 2 и 3 отгибают. В колоннах продольную арматуру устанавливают для повышения сопротивляемости усилиям сжатия.

          Поперечная арматура воспринимает усилия, действующие поперек оси балки. Такую арматуру выполняют в виде хомутов либо расположенных поперечно отрезков стержней в сварных каркасах и сетках.

          Конструктивная (распределительная) арматура обеспечивает цельность конструкции, учитываемой при расчете прочности, а также в распределении действия сосредоточенных сил или ударной нагрузки на большую площадь. Стержни рабочей и распределительной арматуры сваривают либо связывают в единый пространственный каркас или плоские сетки. Иногда распределительную арматуру используют для того, чтобы придать арматурному каркасу необходимую жесткость.

          Конструктивная арматура служит для восприятия таких усилий, на которые конструкцию не рассчитывают. В частности, сюда относятся усилия от усадки бетона, температурных деформаций. Конструктивную арматуру обязательно устанавливают в местах резкого изменения сечения конструкций, где происходит концентрация напряжений.

          Монтажную арматуру устанавливают в зависимости от конструктивных и технологических требований, она не имеет непосредственного статического значения. Монтажная арматура необходима для создания из рабочих и конструктивных стержней жесткого транспортабельного каркаса. Рабочая и конструктивная арматура одновременно могут выполнять функции монтажной.

          По способу изготовления стальную арматуру железобетонных конструкций подразделяют на горячекатаную стержневую, холоднотянутую проволочную и проволочную обыкновенную катаную.

5

          Стержневую арматуру железобетонных конструкций изготовляют следующих видов: горячекатаную - диаметром 6...80 мм; термически или термомеханически упрочненную - диаметром 6...40 мм; упрочненную вытяжкой - диаметром 20...40 мм.

          Стержневую горячекатаную арматуру в зависимости от механических характеристик подразделяют на шесть классов, условно обозначаемых A-I (А240), А-П (А300), А-Ш (А400), A-IV (A600), A-V (A800), А-VI (А1000). Арматуру класса A-I (A240) выпускают гладкого профиля, остальных классов -периодического. В арматурных стержнях класса А-П (А300) профиль образован двумя диаметрально расположенными продольными ребрами и многочисленными поперечными выступами, идущими по винтовым линиям с одинаковым заходом ( 56а). В арматуре остальных классов поперечные выступы расположены «в елочку» ( 566).

          Термическому и термомеханическому упрочнению подвергают стержневую арматуру десяти классов; в ее обозначении упрочнение отмечается дополнительным индексом т: Ат400С, Ат500С, АтбОО, АтбООС, АтбООК, Ат800, Ат800К, АтЮОО, АтЮООК и Ат1200. Буква С указывает на возможность стыкования стержней сваркой, К - на повышенную стойкость арматуры против коррозионного растрескивания. Арматурную сталь изготовляют с периодическим профилем согласно ГОСТ 5781-82 или ГОСТ 10884-94.

          Стержневую арматуру, упрочненную вытяжкой, производят на предприятиях строительной индустрии. Ее выпускают классов А-Пв и А-Шв (что соответствует Ат400 и Ат500).

          Сортамент арматуры составлен по номинальным диаметрам стержней dH. Для стержней гладкого профиля (класса A-I (А240)) номинальный диаметр равен фактическому. В стержнях периодического профиля dH соответствуют диаметрам одинаковых с ними по площади поперечного сечения круглых гладких стержней. В условном обозначении арматуры указывают номер профиля, класс арматуры и номер стандарта, регламентирующего ее качество. Например, обозначение 16Ат600С ГОСТ 10884-94 следует расшифровывать так: 16 - номинальный диаметр арматуры, мм, АтбООС - арматура термически упрочненная свариваемая.

          С повышением класса арматуры возрастает ее прочность, характеризуемая пределом текучести и временным сопротивлением разрыву. Одновременно уменьшается относительное удлинение после разрыва. Наибольшее удлинение наблюдается в арматуре класса A-I (A240) - не менее 25 %.

          Арматурную сталь классов A-I (A240) и А-П (А300) диаметром до 12 мм и класса А-Ш (А400) диаметром до 10 мм включительно поставляют в мотках или прутках, а сталь этого же класса больших диаметров и остальных классов - только в прутках.

         Арматура класса A-I (A240) - гладкая, отличается наиболее высокой пластичностью. Из нее изготовляют только ненапрягаемую арматуру (преимущественно монтажную,

6

конструктивную и  поперечную рабочую). Сталь хорошо сваривается. Из стали класса A-I (A240) марок ВСтЗсп2; ВСтЗпс2 производят монтажные (подъемные) петли железобетонных элементов, а также закладные детали.

         Арматура класса А-П (АЗОО) обладает более высокими механическими свойствами. Область ее применения та же, что и арматуры класса A-I (A240). Периодический профиль улучшает сцепление арматуры с бетоном, и это позволяет считать железобетонные конструкции, армированные сталью класса А-И (АЗОО), более эффективными.

          Арматуру класса А-Ш (А400) наиболее часто применяют при изготовлении конструкций, не подвергаемых предварительному напряжению. Арматура данного класса бывает как рабочей, так и конструктивной. Кроме того, из арматуры класса А-Ш (А400) диаметром 6 и 8 мм выполняют поперечные стержни сварных сеток.

          Арматуру класса A-IV (A600) выпускают того же периодического профиля, что и арматуру класса А-Ш (А400). Чтобы их различить, концы арматурных стержней класса A-IV (A600) на участке 30...40 см окрашивают в красный цвет. Стержни класса A-IV (A600) используют для изготовления продольной рабочей арматуры сварных и вязаных каркасов и сеток. Допускается применять их также в качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных железобетонных элементов длиной до 12 м, эксплуатируемых под воздействием агрессивной среды.

          Стержневую арматуру класса A-IV (A600) часто используют для армирования предварительно напряженных конструкций из легкого бетона классов В7,5...В12,5 (марок 100...150).

          Арматура классов A-V (A800) и А-VI (А1000) - наиболее прочная, поэтому используется в основном для армирования предварительно напряженных конструкций. Ее применяют также в конструкциях, подвергающихся действию динамической и многократно повторяющейся нагрузки, например в пролетных строениях мостов, эстакад, подкрановых балок.

          Профиль стержней арматуры классов A-V (A800) и A-VI (А1000) такой же, как и у арматуры классов А-Ш (А400) и A-IV (A600). При поставке на стройку или завод железобетонных изделий концы стержневой арматуры класса A-V (A800) окрашивают в красный и зеленый, класса А-VI (А 1000) - в красный и синий цвета.

          Термически и термомеханически упрочненную арматуру классов Ат400~.Ат1200 периодического профиля применяют в основном для изготовления предварительно напряженных конструкций. Термическое упрочнение арматуры заключается в закалке стали с последующим высокотемпературным отпуском. Так упрочняют арматуру классов Ат600...Ат1200. Для арматуры класса Ат400 и Ат500 применяют термомеханическое упрочнение. Оно заключается в том, что арматурные стержни быстро охлаждают струями 

7

воды после прохождения  через валок прокатного стана. Тем  самым фиксируется состояние  наклепа, при котором сталь приобретает  повышенную прочность.

          Нельзя сваривать стали, упрочненные термически или вытяжкой, так как в результате сварки эффект упрочнения утрачивается: в термически упрочненной стали происходят отпуск и потеря закалки, а в проволоке, упрочненной вытяжкой, - отжиг и потеря наклепа.

          Арматуру класса Ат400С диаметром 6 и 8 мм поставляют в мотках, а арматуру этого же класса диаметром 10 мм и более и классов Ат600...Ат1200 - только в стержнях. Арматурные стержни изготовляют длиной 5,3..Л 3,5 м.

         Класс прочности арматурной стали обозначается числом поперечных выступов и окраской концов стержней: Ат400 - 3 выступа (белый цвет), Ат500 - 1 (белый и синий цвет), АтбОО - 4 (желтый цвет), Ат800 - 5 (зеленый), АтЮОО - 6 (синий) и Ат1200 - 7 (черный цвет).

          Проволочная арматура. Арматурную проволоку в зависимости от механических свойств подразделяют на обыкновенную и высокопрочную, а по форме поверхности - на гладкую и периодического профиля ( 56в, г).

          Обыкновенную арматурную проволоку изготовляют из низкоуглеродистой стали. Диаметр проволоки - 3; 4 и 5 мм. Она может быть двух классов: B-I - гладкая; Вр-1 - периодического профиля. Проволока хорошо сваривается, что позволяет использовать ее в составе арматурных изделий. Гладкую проволоку класса В500 (диаметром 3; 3,5; 4; 4,5; 5 мм) в Беларуси производят по СТБ 1341-2002.

          Периодический профиль проволоки класса Вр-1 образован диаметрально расположенными на ее поверхности вмятинами. Размеры рифов (вмятин) зависят от диаметра проволоки. Глубина вмятин h = 0,15...0,25 мм, шаг s = 2...3 мм, длина выступа Ъ = 0,6... 1 мм.

          Из проволоки класса Вр-1 изготовляют сварные сетки и каркасы, которые используют в качестве ненапрягаемой рабочей арматуры, из гладкой проволоки класса B-I - только конструктивную арматуру.

         Высокопрочную арматурную проволоку изготовляют из углеродистой стали путем многократного волочения и низкотемпературного отпуска. Ее также подразделяют на классы: В-П -гладкая; Вр-11 - профилированная. Диаметр проволоки - 3...8 мм с градацией через 1 мм. Профиль проволоки класса Вр-П несколько отличается от профиля проволоки класса Вр-1. Расстояние между центрами вмятин s в зависимости от диаметра проволоки составляет 6,5...7 мм, а глубина вмятин h = 0,15...0,4 мм. Радиус цилиндрической поверхности вмятин R не зависит от диаметра проволоки и равен 8 мм. 

8

          По механическим свойствам высокопрочная проволока значительно превосходит обыкновенную. Например, предел текучести проволоки диаметром 3 мм класса B-I составляет 3500 Н, а класса В-П - 10600 Н. Проволоку классов В-И и Вр-И не сваривают, так как в результате высокотемпературного нагрева прочность ее может сильно понизиться. Допускается лишь сваривать стыки конструктивной (монтажной) арматуры, используя специальные приемы сварки.

          Из проволоки классов В-П и Вр-П изготовляют напрягаемую арматуру железобетонных элементов большой протяженности -свыше 12 м. Особенно эффективна такая проволока в предварительно напряженных конструкциях, испытывающих в процессе эксплуатации постоянное давление жидкостей, газов или сыпучих тел, например в силосах.

          Основной механической характеристикой обыкновенной арматурной проволоки служит ее временное сопротивление разрыву (предел прочности), а высокопрочной - условный предел текучести.Эти характеристики возрастают с уменьшением диаметра проволоки

          Арматурные канаты состоят из нескольких проволок, свитых так, чтобы было исключено их раскручивание. Вокруг центральной проволоки по спирали в одном или в нескольких концентрических слоях располагают проволоки одного диаметра. В процессе изготовления каната проволоки деформируются и плотно прилегают одна к другой. Благодаря периодическому профилю создается надежное сцепление канатов с бетоном.

          Канаты выпускают в основном двух классов - К-7 и К-19. В семипроволочных стальных канатах класса К-7 применяют углеродистую проволоку. Канаты класса К-7 изготовляют номинальных диаметров 6... 15 мм с градацией в 3 мм. Прочностные характеристики канатов примерно такие же, что и у проволоки класса Вр-П.

          Сечение 19-проволочных канатов класса К-19 представляет собой семипроволочную прядь, на которую навиты 12 соприкасающихся проволок. Номинальный диаметр канатов этого класса- 14 мм.

          Выпускают также многопрядные канаты класса К-w. Их изготовляют из большого числа тонких проволок диаметром 1...3 мм. Такие канаты обладают повышенной деформативностью, поэтому перед применением их подвергают предварительной обтяжке.

         Арматурные канаты - наиболее эффективная напрягаемая арматура. Их используют в крупноразмерных конструкциях, например в балках длиной свыше 12 м, а также для армирования предварительно напряженных элементов, находящихся под давлением газов, жидкостей и сыпучих тел. 

9

         Канаты поставляют намотанными на деревянные барабаны или в бухтах. Длина отрезка каната по стандарту должна быть не менее 1000 м. В процессе армирования конструкций допускается сваривать канаты только по особому режиму с применением опрессовываемых гильз.

          Действующие нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций СНБ 5.03.01 «Бетонные и железобетонные конструкции» вводят новые требования к обозначению и применению арматуры.

          Согласно СНБ 5.03.01-02, класс арматуры - показатель, характеризующий ее механические свойства согласно требованиям соответствующих стандартов, обозначаемый буквой S (заглавная буква английского слова Steel) и числом, соответствующим нормативному сопротивлению арматуры в МПа. В отличие от СНиП 2.03.01-84*, в действующих нормах принято всего шесть классов арматуры по прочности: три класса напрягаемой и три класса ненапрягаемой. Данная классификация исключает применение в конструкциях рабочей арматуры упрочненной вытяжкой класса по прочности 400 МПа (ранее обозначаемую как А-Шв). Соответствие обозначений классов арматуры по СНиП 2.03.01 и СНБ 5.03.01 приведено в табл. 27.

         Кроме стальной арматуры, в последние десятилетия получила распространение неметаллическая арматура, в которой применяют углеродные, борные и другие виды волокон. В Беларуси в основном используется стеклопластиковая арматура, изготовляемая из алюмоборосиликатных волокон и применяемая в предварительно напряженных конструкциях взамен высокопрочной проволоки Вр-П и канатов. Связующее вещество склеивает волокна в монолитный стержень, работающий как единый элемент, защищенный от механических повреждений, влаги и агрессии.

          К арматурным изделиям относят сварные сетки и каркасы, а также проволочные пучки и отдельные мерные стержни.

          Сварные сетки изготовляют из обыкновенной арматурной проволоки класса Вр-1 диаметром 3...5 мм и стержневой арматуры класса А-Ш диаметром 6... 10 мм. Сетки бывают плоские и рулонные. Наибольший диаметр продольных стержней в рулонных сетках - 5 мм ( 57).

          Сварные каркасы могут быть плоскими и пространственными. Плоские каркасы состоят из одного или двух продольных рабочих стержней, монтажного стержня и привариваемых к ним поперечных стержней.

         Пространственные каркасы получают путем сварки плоских каркасов. Иногда для этой цели применяют специальные соединительные стержни. Размеры арматурных изделий выдерживают в строгом соответствии с рабочими чертежами.

          Арматурные проволочные пучки состоят из параллельно расположенных проволок класса В-П или Вр-П. В одном пучке может быть 14, 18 или 24 проволоки, расположенные

10

по окружности. Диаметр  пучка в зависимости от числа  проволок может быть в пределах 30...50 мм. В конструкции пучков предусмотрены  зазоры между соседними проволоками, через которые в процессе бетонирования  конструкции цементный раствор  проникает внутрь пучка, создавая надежное сцепление арматуры с бетоном. Применяют  пучки для армирования большепролетных  конструкций, например мостов, путепроводов.

         Закладные детали служат для соединения сборных элементов при монтаже конструкций. Изготовляют эти детали из сортовой прокатной стали ВСтЗкп2; ВСтЗпсб; ВСтЗГпс5; ВСтЗсп5. Устанавливаемые по конструктивным соображениям, т. е. Не рассчитываемые на силовые воздействия, закладные детали допускается изготовлять из прокатной стали БСтЗкп2.Закладные детали приваривают к арматуре железобетонного элемента или заанкеривают в бетоне, а при монтаже конструкций соединяют между собой болтами, скобами, но чаще всего сваривают. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

11

3. Чугун 

         Чугу́н — сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектическим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

         В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

         Cерый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет

         Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.

          Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

          В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

          В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

          В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

         В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

передельный чугун  — П1, П2;

12

передельный чугун  для отливок — ПЛ1, ПЛ2,

передельный фосфористый  чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,

передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;

чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

антифрикционный чугун 

антифрикционный серый  — АЧС,

антифрикционный высокопрочный  — АЧВ,

антифрикционный ковкий — АЧК;

чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры  после букв «ВЧ» означают временное  сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами — Ч. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

13

4. Цветные металлы 

          Цветные металлы - это все металлы, кроме черных - железа и его сплавов (сталь, чугун, ферросплавы). К черным металлам часто условно относят также металлы Сr и Мn, которые в основном. используют в качестве добавок к железу, но правильнее относить их в отдельную группу цветных металлов - легирующие металлы. В зарубежной литературе используют вместо цветных металлов термин "нежелезные металлы".

         Все цветные металлы разделяются на несколько групп (но общепринятой классификации цветных металлов нет). Это, например, тяжелые цветные металлы - Сu, Рb, Zn, Ni, Sn: легкие металлы - Al, Mg, иногда Ti и др.; малые цветные металлы - Со, Sb, Bi, Hg, Cd; благородные металлы - Au, Ag, Pt и др. платиновые металлы; редкие металлы - Li, Be, Zr, Nb, Ga, In; редкоземельные элементы (Y, La, Се и др.) группы в свою очередь разделяются на ряд, подгрупп. Деление это условно, один и тот же металл, например. Ti, иногда относят к разным группам.