Предмет "Матеріалознавство"

Група 14

Дата: 03.04.2020

Модуль 4 "Метали та металеві вироби".

Тема 8 "Основні відомості про метали і сплави. Класифікація. Види і марки сталей, що застосовуються в залізобетонних конструкціях".

     Метали – найпоширеніші щодо використання матеріали у виробництві й у побуті людини. 

     У розвитку цивілізації людства залежно від основного виду матеріалу, що визначав рівень розвитку техніки на відповідному етапі, формувалася й назва цивілізації. Так за 3500 р. до нашої ери існував мідний вік, далі – бронзовий (2500 до н.е.), наступним став залізний вік (1200 до н.е.).

   Найважливішого значення метали набули у наш час, коли велику їх кількість використовують у машинобудівній промисловості, на транспорті, у промисловому, житловому й шляховому будівництві, а також в інших галузях народного господарства.

     Метали, застосовувані в будівництві, розділяють на чорні й кольорові.

У будівництві застосовують не чисті метали, а їхні сплави (рис. 8.1).

     Найбільше розповсюджені сплави на основі чорних металів (порядку 94 %) і незначне – сплави кольорових металів. Вибір метала визначається відповідно його властивостей.

Властивості металів

 Більшість металів кристалізується у відносно простих структурах – кубічних і гексагональних, що відповідають найбільш щільному впакуванню атомів. Лише невелика кількість металів має більш складні типи кристалічних решіток. Багато металів залежно від зовнішніх умов (температури, тиску) можуть існувати у вигляді двох або більше кристалічних модифікацій.
   Електричні властивості. Питома електропровідність металів за кімнатної температури σ~10-6–10-4 ом-1 см-1, тоді як у діелектриків, наприклад, у сірки, σ~10-17 ом-1 см-1. Проміжні значення σ відповідають напівпровідникам. 

     Характерною властивістю металів як провідників електричного струму є лінійна залежність між густиною струму й напруженістю прикладеного електричного поля.
   Носіями струму в металах є електрони провідності, що мають високу рухливість. Відповідно до квантово-механічної теорії, в ідеальному кристалі електрони провідності (за повної відсутності теплових коливань кристалічної решітки)взагалі не зустрічають опору на своєму шляху. Існування в реальних металах електроопору є наслідком порушення періодичності кристалічної решітки. Ці порушення можуть бути пов'язані як з тепловим рухом атомів, так і з наявністю домішкових атомів, вакансій, дислокацій й ін. дефектів у кристалах. На теплових коливаннях і дефектах відбувається розсіювання електронів. Під час нагрівання металів до високих температур спостерігається «випаровування» електронів із поверхні металів (термоелектронна емісія). Емісія електронів з поверхні металів відбувається також під дією сильних електричних полів ~ 107 в/см унаслідок тунельного просочування електронів через знижений полем потенційний бар’єр. У металах спостерігаються явища фотоелектронної емісії, вторинної електронної емісії й іонно-електронної емісії. Перепад температури викликає в металах поява електричного струму або різниці потенціалів.

 Теплові властивості. Теплоємність металів обумовлена як іонним кістяком (решіткова теплоємність Ср), так й електронним газом (електронна теплоємність Сэ). Хоча концентрація електронів провідності в металах дуже велика йне залежить від температури, електронна теплоємність мала й у більшості металів спостерігається тільки за температурою у кілька градусів Кельвіна. Теплопровідність металів здійснюється, головним чином, електронами провідності.

     Магнітні властивості. Перехідні метали з недобудованими f- і d-електронними оболонками є парамагнетиками. Деякі з них за певних температур переходять у магнітовпорядкований стан. Магнітне впорядкування істотно впливає на всі властивості металів, зокрема на електричні властивості: електроопір пояснюється розсіюванням електронів на коливаннях магнітних моментів. Гальваномагнітні явища при цьому також здобувають специфічні риси.

У таблиці 8.1 наведені фізичні й механічні властивості деяких металів.

Металеві сплави. Опрацювати матеріал підручника "Матеріалознавство для будівельників" за редакцією П.В. Кривенко, пункт 14.4 - 14.6, ст. 297-305

Будівельні сталі.
    Будівельні сталі призначені для виготовлення будівельних конструкцій – мостів, ферм, газо- і нафтогонів, водогонів, котлів тощо. Сталеві конструкції виготовляють з прокатних виробів, а також із гнутих та зварних профілів 

 Найчастіше використовують прокатні вироби, які поділяють на чотири групи: сортову сталь, листову сталь, спеціальні види прокату і труби.

    Сортова сталь включає профілі масового попиту (круглу, квадратну, кутикову), швелери, двотаври та профілі спеціального призначення (рейки тощо).

     У будівництві найбільше використовують кутикові профілі, двотаври та швелери. Кутиків профіль може бути двох типів: рівнополицевий та нерівнополицевий. Найлегші кутикові профілі мають розміри 20×20 мм і товщину 3 мм (20×3), а найважчі – відповідно 250×250 та 30 мм.

     Двотаври та швелери вибирають за номерами, що відповідають їхній висоті в сантиметрах. Номери двотаврів змінюються від 10 до 60, швелерів – від 5 до 40. Двотаври прокатують завдовжки до 19 м, а швелери – до 18 м. Їх застосовують в основному як балки, що працюють на згин та осьове навантаження. Форма швелерів спрощує кріплення до їх стінок інших елементів, тому їх широко використовують як прогони покрівель промислових споруд.

    Листову сталь залежно від товщини листів розподіляють на товстолистову (4 – 160 мм), тонколистову (0,2 – 4 мм), універсальну широколистову (4 – 60 мм), рулонну та рифлену. Найширше у будівництві використовують сталеві листи завтовшки до 40 мм. Листи тонколистової сталі мають довжину до 4 м, ширину – 600 – 1400 мм. Її застосовують при виготовленні гнутих тонкостінних профілів та профільного настилу.

     Використання гнутих профілів значно спрощує технологію будівельних робіт (наприклад, кріплення гіпсокартонних плит).

    Листовий метал широко використовують для виконання покрівельних робіт, виготовлення ангарів тощо.

    Так з гарячеоцинкованої холоднокатаної сталі (прокату) виготовляють металочерепицю – багатошаровий виріб для влаштування покрівель. Товщина листового металу 0,5 мм.

   Після пасивації та ґрунтування шаром кольорового полімерного покриття (поліестром, матполіестром, пураном, пластизолом) отримують не тільки надійний покрівельний матеріал, а й архітектурно-виразний його вигляд. Також можуть бути використані нестандартні покриття, що надають черепиці ефекту «блиску» або яскравості. Довжина панелі може бути від 500 до 8000 мм, а крок (або довжина модуля) – 275 – 450 мм.

   В будівництві широко використовується арматурна сталь, виготовлена у вигляді стрижнів гладкого та періодичного профілю, дроту та канатів.

   Розрізняють: стрижневу арматуру – клас А; дріт – клас В; арматурні канати – клас К – також може зазначатися спосіб виготовлення, особливі властивості або призначення арматури.         Термічно оброблену стрижневу арматурну сталь позначають А_т, сталь для конструкцій, які використовуються в районах півночі – А_с, термічно оброблену зварювальну сталь – індексом «С» (наприклад, А_тIVC), а таку сталь з підвищеною стійкістю проти корозійного розтріскування під напруженням – «К» (наприклад, А_тIVК). Для сталі, зміцненої витягуванням, використовують індекс «b» (АІІІ_b).

    Арматуру класу А-І використовують круглого перерізу з гладкою поверхнею. Арматура інших класів має періодичний профіль. Арматурна сталь періодичного профілю має вигляд круглих стержнів з двома повздовжніми ребрами та поперечними виступами, що йдуть по тризахідній гвинтовій лінії. Використовують також арматуру з профілем «ялинка».

    Арматурний дріт випускають діаметром 3 – 8 мм та поділяють за формою поперечного перерізу на дріт гладкого (В) і періодичного профілю (В_р).

   Для зведення башт, опор високовольтних ліній електропередач, інших гратчастих конструкцій широко використовують металеві труби. 

   За способом виготовлення їх поділяють на безшовні гаряче- та холодно формовані й електрозварні з повздовжнім прямим або спіральним швом.

   Поряд з круглими зварними трубами для сталевих конструкцій використовують квадратні та прямокутні гнутозварні труби.

   Всі будівельні конструкції, як правило, є зварними і зварюваність – одна з основних властивостей будівельних сталей. Тому будівельна сталь – це низьковуглецева сталь з кількістю вуглецю з 0,22 – 0,25%. Підвищення міцності досягається легуванням зазвичай недорогими елементами – марганцем і кремнієм. В цьому випадку сталь називають низьколегованою. При низькому вмісту вуглецю межа текучості зростає до 400 – 450 МПа (межа міцності до 500 – 600 МПа), а при використанні термічної обробки і вище.

    Серед простих сталей найбільш часто використовують сталі марок Ст1, Ст2 і Ст3, особливо Ст3. Для конструкцій із зварними з’єднаннями використовують групу В (<0,22% С; σ_т = 240 МПа), а для незварних – по групі А (гарантується тільки σ_т не нижче 240 МПа).

    Оскільки термічною обробкою (гартування + відпуск 600^оС) неможливо значно підвищити міцність Ст3, то в необхідних випадках застосовують леговані сталі. Їх називають будівельними підвищеної міцності. Основним легуючим компонентом служить марганець (1 – 1,5%).

    Більшість будівельних металевих виробів виготовляють прокатуванням. Тому значний вплив на міцність сталі має спосіб прокатки.

    Для армування залізобетонних конструкцій застосовують стрижні та дріт.

   В попередньо напружених залізобетонних конструкціях застосовують високоміцні стальні стержні або високоміцний дріт.

    В ненапружених конструкціях застосовують сталь звичайної якості (Ст3, Ст5), оскільки вона не зазнає великих напруг, а в попередньо напружених конструкціях – середньо вуглецеві і вуглецеві сталі в гарячекатаному стані, а також зміцнені термічною обробкою.

Арматурна сталь поділяється на класи за міцністю. В таблицях 3.4 і 3.5 наведені основні дані про арматурні сталі.

    Арматурну сталь класів А-І, А-ІІ, А-ІІІ застосовують для ненапружених конструкцій, а арматурну сталь більш високих класів – для попередньо напружених конструкцій.

Властивості, що відповідають класу А-ІV, можуть бути отримані в гарячекатаному стані в легованих сталях марок 20ХГ2Ц або 80С чи в простій вуглецевій сталі марки Ст5 після зміцнюючої термічної обробки (гартування у воді, відпуск при 400^оС), а також у низьколегованих маловуглецевих сталях після гартування з прокатного нагріву.

    Арматуру більш високих класів (А-VІ…АVІІІ) виготовляють тільки із застосуванням зміцнюючої термічної обробки.

    Низьковуглецева арматурна сталь (менше 0,26% С) гарно зварюється контактною зваркою. При кількості вуглецю 0,3 – 0,4% сталь контактною зваркою зварюється погано, а при більшій кількості вуглецю взагалі не зварюється. Для роботи при низьких температурах краще застосовувати сталі з більш низьким вмістом вуглецю або сталі після термічної обробки.

ЗАВДАННЯ: 

1.Опрацювати матеріал та сформувати опорний конспект за матеріалом підручника "Матеріалознавство для будівельників" за редакцією П.В. Кривенко, пункт 14.10

2. Підготувати презентацію за матеріалами публікації від 01.04.2020 та надіслати на електронну пошту.