Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее применение в строительстве имеет алюминий, обладающий высокой удельной прочностью, пла­стичностью, коррозионной стойкостью и экономической эффектив­ностью. Серебро, золото, медь, цинк, титан, магний, олово, свинец и другие используются главным образом как легирующие добавки и компоненты сплавов и имеют поэтому специальное и ограниченное применение в строительстве (специальные виды стекла, уникальные объекты - мемориалы на Мамаевом кургане в Волгограде, на По­клонной горе, обелиск в честь покорения космоса в Москве и другие, в которых большое применение нашли титан, медь, и их сплавы; за- порно-регулировочная арматура и устройства водопроводно- отопительных, электротехнических систем зданий и сооружений).

В чистом виде цветные металлы, как и железо, вследствие их ма­лой прочности и твердости, применяются редко.

Алюминий - металл серебристо-белого цвета, плотностью 2700 кг/м'¹ и температурой плавления 658°С. Кристаллическая решет­ка его - гранецентрированный куб с периодом 0, 40412 нм. Реальные зерна алюминия, как и зерна железа, имеют блочное строение и ана­логичные дефекты - вакансии, межузельные атомы, дислокации,, ма­ло- и большеугловые границы между зернами, Механические свойст­ва отожженного алюминия высокой чистоты: а_н = 50 МПа, ⁼ 15 МПа; 5= 50%, а технического алюминия (АДМ): од = 80 МПа, = 30 МПа; 5= 35%. Технический алюминий вследствие малой прочно­сти в строительных конструкциях применяется редко. Повышение прочности достигается легированием Mg, Mn, Си, Si, Al, Zn, а также пластическим деформированием (нагартовкой), закалкой и старени­ем. Все сплавы алюминия делятся на деформируемые и ли­тейные. Деформируемые сплавы в свою очередь подразделяются на термически упрочняемые и неупрочняемые. К термически упроч­няемым относятся сплавы Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg; термиче­ски неупрочняемым - технический алюминий и двухкомпонентные сплавы Al-Мп и Al-Mg (магналии). Медь - основная легирующая до­бавка сплавов - дуралюминов, повышает прочность, но снижает пла­стичность и антикоррозионные свойства алюминия. Марганец и маг­ний повышают прочность и антикоррозионные свойства; кремний - жидкотекучесть и легкоплавкость, но ухудшает пластичность. Цинк, особенно с магнием, увеличивает прочность, но уменьшает стойкость к коррозии под напряжением. Для улучшения свойств алюминиевых сплавов в них вводят небольшое количество хрома, ванадия, титана, циркония и других элементов. Железо (0, 3-0, 7%) является нежела­тельной, но неизбежной примесью. Соотношение компонентов в сплавах подбирается исходя из условий достижения ими после тер­мической обработки и старения высокой прочности, обрабатываемо­сти и коррозионной стойкости. Сплавы обозначаются марками, кото­рые имеют буквенное и цифровое обозначение, характеризующее состав и состояние сплава: М - отожженный (мягкий); Н - нагарто- ванный; Н2 - полунагартованный; Т - закаленный и естественно со­старенный; Т1 - закаленный и искусственно состаренный; Т4 - не полностью закаленный и искусственно состаренный. Нагартовка и полунагартовка характерны для термически неупрочняемых сплавов; закалка и старение для термически упрочняемых.

Марки технического алюминия: АД, АД1 (А - алюминий, Д - сплав типа дуралюмина, 1 - характеризует степень чистоты алюминия - 99, 3%; в марке АД - 98, 8 А1), высокопрочного - В95, В96, ковочно­го - АК6, АК8 (цифры обозначают суммарное содержание основных и дополнительных легирующих элементов в сплаве (%).

Марки термически неупрочняемых алюминиевых сплавов: АД1М, АМцМ, АМг2М, АМг2Н2 (М - мягкий, Мц - марганец, Мг2 - магний при содержании в сплаве 2%).

Цифровое обозначение марок алюминиевых сплавов: 1915, 1915Т, 1925, 1935Т (первая цифра обозначает основу сплава - алюминий; вторая - композицию компонентов; 0 - технически чистый алюминий, 1 - Al-Cu-Mg, 3 - Al-Mg-Si, 4 - Al-Mn, 5- Al- Mg, 9 - Al-Mg-Zn; две последние - порядковый номер сплава в своей группе.

Основными видами термической обработки алюминиевых сплавов является отжиг, закалка и старение (отпуск). Отжиг происходит без фазовых превращений и применяется для снятия остаточных напря­жении, гомогенизации, рекристаллизации и возврата. В последнем случае происходит восстановление начальных физических и механи­ческих свойств сплава, снижение прочности, повышение пластично­сти и ударной вязкости, необходимые для технологических целей.

Медь в чистом виде имеет небольшую прочность и высокую пластичность: сг_д = 200-250 МПа, 8- 30-35% (после прокатки и отжи­га). Температура ее плавления 1083°С. Она плохо обрабатывается резанием, но хорошо деформируется в холодном и горячем состояни­ях. Широко распространены сплавы меди - латуни и бронзы.

Латунь- сплав меди с цинком. Предельная растворимость цин­ка в меди - 39%. Такой сплав представляет собой твердый раствор цинка в меди (or-фаза). При содержании цинка до 45% возникает вто­рая - /7-фаза, Двухфазные латуни более прочны и тверды, чем одно­фазные, но малопластичны. Марки латуней обозначают буквой Л и цифрами, указывающими содержание меди в процентах. Механиче­ские свойства одно- и двухфазных латуней: а - латуни (Л96) (том­пак), Л80 (полутомпак) и Л70 - ст_д = 240-320 МПа, 8= 50-52%; а+ р' - латуни - од = 360-390 МПа, 5 = 44-49% (томпак в пер. с фр. - медь). Для улучшения свойств латуни подвергают холодному и горячему деформированию, рекристаллизационному отжигу при 500-700°С (а - латуни) и легированию добавками Sn, Si, Мп, Al, Fe, Pb, повышаю­щими прочность, коррозионную стойкость и антифрикционные свой­ства. Специальные латуни маркируют: ЛА77-2 (латунь, содержащая 77% Си, 2% А1 и 21% Zn). ЛАЖ60-1-1 (латунь, содержащая 60% Си, 1% А1, 1% Fe и 38% Zn). Они представляют собой однородные твер­дые растворы и поэтому весьма пластичны.

Бронзы - это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием и другими элементами.

Оловянистые бронзы представляют твердый раствор 4-5% олова в меди (а-фаза). При бо'льшем содержании олова пластичность и литейные свойства бронзы резко снижаются. Перед обработкой давлением их подвергают рекристаллизационному отжигу при 600- 650°С. Для улучшения литейных свойств и повышения прочности в бронзу вводят до 1% фосфора. Бронзы, обрабатываемые давлением, имеют од = 350-400 МПа, 8 = 40-70% (после отжига) и а, _и = 550-800 МПа, 8 = 4-12% (после холодной деформации); бронзы для фасонно­го литья - о_й = 150-180 МПа, £ =6-8%.

Алюминиевые и кремнистые бронзы имеют механи­ческие свойства, аналогичные оловянистым бронзам, но более деше­вые и стойкие в агрессивных средах. В промышленности используют только однофазные бронзы, обладающие высокими пластичными и литейными свойствами.

Ьериллиевые бронзы содержат 2-2, 5% Be и обладают наилучшими свойствами из всех известных бронз. После закалки при 760-780°С и старении при 300-350°С механические свойства ее со­ставляют: од = 1300-1350 МПа, 8= 1, 5%, НВ 4000.

Свинцовые бронзы содержат до 30% РЬ и не образуют твердых растворов свинца в меди. Они склонны, как и оловянистые бронзы, к ликвации, имеют невысокую прочность (о_я = 60 МПа), пластичность (8= 4%) и хорошие антифрикционные свойства. Мар­кируют все бронзы аналогично латуням. Например, БрОЦСНЗ-7-5-1 - оловяпистая бронза, содержит 3% Sn, 7% Zn, 5% Pb, 1% Ni и 84% Си; БрАЖН 10-4-4 - алюминиевая бронза, содержит 10% А1, 4% Fe, 4% Ni и 82% Си.

Титан- металл серебристо-белого цвета, плавится при 1665±5°С. Существует в двух модификациях: а-титан до 882°С (плотность 4505 кг/м³) кристаллизующийся в гексагональной решетке и /? -титан при температуре 900°С и более (плотность 4320 кг/м³), кри­сталлизующийся в объемно-центрированной кубической решетке с периодом 0, 33132 нм. На поверхности титана легко образуется проч­ная оксидная пленка, защищающая его от коррозии во всех средах, кавитационной коррозии и коррозии под напряжением.

Технический титан марок ВТ 1-00, ВТ 1-0 и ВТ1-1 имеет невысо­кую прочность, пластичен (сг_д = 300-350 МПа, S = 20-30%), хорошо обрабатывается давлением и сваривается. Примеси N, С, О и Н ухуд­шают антикоррозионные свойства, пластичность и свариваемость титана; охрупчивают (особенно водород) и повышают его прочность и твердость. Для улучшения механических и технологических свойств титана его легируют добавками Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zn, Si. Различают а-сплавы и а+/? -сплавы титана. Первые представляют собой твердый раствор легирующих элементов (А1 - основной, Sn, Zn и Mo, Fe, Cr) в а-титане. Они не упрочняются термообработкой и подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 780-850°С. а+/? -сплавы состоят из а- и /? твердых растворов и содержат кроме А1 2-4% Cr, Mo, Fe (стабилизаторов [3-титана), а+Д-сплавы упроч­няются закалкой и старением. При закалке происходит мартенситное превращение и образуется пересыщенный твердый раствор леги­рующих элементов в а-титане. При старении происходит распад мар- тенситных фаз и остаточной (5 -фазы, сопровождающийся упрочнени­ем сплава. Наиболее распространенные а-сплавы, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 имеют следующие показатели: а_и = 700-950 МПа, 5= 12-25%, KCU = 0, 4-0, 9 мДж/м²; а+^еплавы ВТ6, ВТ8, ВТ14 - а_н = 950-1400 МПа, б= 8-15%, KCU^ 0, 3-0, 8 МДж/м². Они хорошо деформируются в горя­чем и холодном состоянии, свариваются и противостоят коррозии.

Вопросы для самоконтроля

1. Какими характерными свойствами обладают металлы, как мате­риал для строительных конструкций и оборудования?

2. Какие дефекты строения характерны для металлов и как они влияют на их физико-механические свойства?

3. Какими показателями характеризуются свойства металла и как они определяются?

4. Какие основные фазы различают в структуре железо-углеро­дистых сплавов, условия их существования и превращения?

5. Что такое сталь и чугун? Основные их виды.

6. Каково назначение легирующих элементов, вводимых в железо­углеродистые сплавы? Их виды, содержание.

7. Какие из цветных металлов имеют наибольшее применение в строительстве и каковы их свойства?

Дополнительная литература

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка метал­лов. - М.: Металлургия, 1984.

2. Артемьев И.Н. Алюминий в строительстве. - Л.: Стройиздат, 1985.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлур­гия, 1983.

4. Материаловедение / Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова. М.: Маши­ностроение, 1986.

Глава VIII. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА § 1. Общие сведения

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкооб­разные материалы, которые при смешивании с водой образуют пла- стично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно за­твердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скреп­ляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня. Это свой­ство вяжущих используют для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожженных искусственных материалов; строительных растворов - кладочных, штукатурных и специальных.

Неорганические вяжущие вещества делят на воздушные и гидрав­лические.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся нй четыре группы: гипсовые вяэ/сущие, основой которых яв­ляется сернокислый кальций, магнезиальное вяжущее, содержащее каустический магнезит MgO; жидкое стекло - силикат натрия или калия (в виде водного раствора); известковые вяэюущие, состоящие главным образом из оксида кальция СаО.

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохра­няют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие ве­щества представляют собой сложную систему, состоящую в основ­ном из соединений четырех видов: CaO-SiCh-AhCh-FeiCb. Эти соеди­нения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: си­ликатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силика­тов кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности - главные вяжущие современного строительства; алюминатные цемен­ты, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности; гидравлическая известь и романцемент.

В отдельную группу выделяют вяжущие автоклавного тверде­ния - это вещества, способные при автоклавном синтезе, происходя­щем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образовани­ем плотного, прочного камня. В эту группу входят: известково- кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжу­щие, нефеленовый цемент и др., хотя по существу они тоже относят­ся к гидравлическим вяжущим.