Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов

Физико-механические свойства металлов тесно связаны с особенностями их кристаллического строения. В твердом состоянии атомы всех металлов и металлических сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В промышленных металлах наиболее распространены следующие кристаллические решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно- центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 910'С и выше 1390'С, хром, вольфрам, ванадий и др. В кубической гранецентрированной решетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют железо при температуре 910 – 1390 'С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

В результате совместной кристаллизации нескольких элементов могут образоваться сплавы следующих типов: механическая смесь, твердый раствор и, химическое соединение. Возможность возникновения того или иного типа сплава определяется характером взаимодействия элементов в процессе кристаллизации.

Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллизации компонентов. В механической смеси каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Структура сплава в этом случае будет состоять из кристаллов веществ А и Б, связь между которыми осуществляется по границам зерен. Значения свойств сплава будут средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы одного из компонентов, например Б, частично замещают атомы компонента А в узлах его кристаллической решетки. Твердый раствор внедрения образуется, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристаллической решетки другого. Твердые растворы замещения могут образоваться при совместной кристаллизации металлов, а твердые растворы внедрения – при совместной кристаллизации металла с неметаллом. Твердые растворы принято обозначать буквами греческого алфавита.

В растворе внедрения атомы растворимого элемента внедряются между атомами металла, искажая его решетку. К таким элементам относятся – углерод, водород, азот, бор и другие, концентрация которых в твердом растворе может составлять 1 – 2 %. В растворе замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов растворителя в кристаллической решетке. При этом размеры атомов основного металла и примеси должны отличаться не более чем на 15 %. Например, хорошо замещаются атомы Fе и Сг, Сu и Ni, Тi и V и т. д.

Химические соединения образуются в результате химического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении. Например, в сплавах железа с углеродом образуется карбид железа, называемый цементитом. В сплавах алюминия с медью образуется интерметаллическое соединение. Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при изменении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается при помощи диаграмм состояния.

Общая классификация сталей. 1) по сп-бу произ-ва - конвертерная, мартеновская (выс качествен сталь), тигельная, электро сталь 2) по кач-ву - обыкновенная, качественная 3) по товарной форме – слиток, фасон, литьё, прудки, проводка, уголок, швеллер, труба… 4)по хим составу – углеродистые (в состав кроме железа и углерода входят только норм примеси) легированные (это стали в сост кот спец-но вв-т 1 или неск-ко эл-тов улучшающих их физико-мех св-ва) 5)по прим 4кл: 1кл-стр углеродистая обыкнов кач-ва 2кг-конструкц машиностр легирован или углеродистая качествен/высококач 3кл-инструмент углерод/легирован качеств/высококачеств 4кл-с особыми физич.св-ми.Конструкц стали прмен для изготов разл стр констр и деталей машин и инструментальные-преимущественно для изготовл инструмента.Углеродистая конструкционная сталь обыкнов кач-ва в зав-ти от назнач подразд-ся на 3 группы: А(поставляется по мех св-вам) Б(по хим составу) В(по мех св-вам и дополнит-м требов-м по хим составу).Углеродист сталь марок СТ1 и СТ2 хар-ся выс пласт-тью и прим-ся для изг заклепок, топочных связей, резервуаров, трубопроводов.Осн-ми стр сталями явл стали марок Ст3 и Ст5 из кот изг-т несущ метал констр и арматуру ж
/б.Столь Ст 3пластична, хор сваривается и обрабатыв-ся.Из стали Ст4 и Ст 5 изг-т болты, шурупы, из т6-валы, оси и др части деталей машин.

Классификация и маркировка легированных сталей. Легирован название сталь, в котором кроме обычных примесей содержится специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий, алюминий, бор, титан…), а также марганец и кремний в количествах превышающих обычное их содержание (1% и выше). Легир сталь в зависимости от содержания легир элементов дел-ся на низколегир (3% легир элементов), легир (2, 5-10%), высоколегир (более10%).Легир эл-ты оказ-т разносторон влияние на св-ва стали. Хром повыш тв-ть, умен ржавение, никель создает проч-ть и пласт-ть, коррозойную стой, вольфрам увел тв-ть и красностой, ванадий повыш плот-ть проч-ть сопротивл удару истиранию, алюминий повыш окалинностой. В легир стали может нах-ся неск-ко легирующих эл-тов. Но назнач легир сталь дел: конструкционная, инструментальная и сталь с особыми физич. и хим. св-вами. Многие легир эл-ты способ-т измельч зерен феррита и перлита в стали, что значит-но увелич вязкость стали. Некоторые легир эл-ты спосбны повыш прокаливаемость стали на значит толщ. В маркеровке приняты след буквен обазнач: Х-хром, Н-никель, А-азот, В-вольфрам, Е-селен, Г-марганец, Д-медь, Б-инобий, Р-бор, Ю-алюминий, П-фосфор, М-молибден, К-кобальт, Ц-цирконий, Ф-ванадий. Эти буквы в сочет с цифрами образ-т марку стали. Сочет букв и цифр дает хар-ку легир стали. Если впереди марки стоят 2 цифры они указ-т сред содерж углерода в сотых долях процента. Одна цифра в начале марки - сред содерж углерода в десятых долях%. Если в начале марки нет цифры кол-во углерода сост-т 1% и выше. Цифры след за буквами – сред содерж дан эл-та в %. Если за буквой нет цифры – содерж дан эл-та около 1%. Буква А в конце марки – высококачеств сталь. Прим для изг метал констр мостов, опор, подкранов балок.

.

Применяемые для отливок чугуны имеют в среднем состав: С – 2 – 4 %, Si – 1, 5 – 4 %, Мn – 0, 6 – 1, 25 %, Р – 0, 1 – 1, 2 %, S< =0, 06 %. Чугуны подразделяют на белые, серые и ковкие. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. В основном эти чугуны идут на переплавку в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

При замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению с образованием феррита и графита. В результате получается серый чугун имеющий благодаря графиту серый излом. В зависимости от степени разложения цементита серый чугун может иметь структуры: перлит – графит; перлит – графит – феррит; феррит – графит. С увеличением содержания феррита и перлита в чугуне уменьшается его твердость и увеличивается пластичность. Образованию тонкодисперсного графита способствуют специальные присадки, из которых наибольшее распространение получил ферросилиций.

Серые чугуны – это литейные чугуны: они обладают хорошими литейными качествами – жидкотекучестью, мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротивляются износу. Серые чугуны с высоким содержанием фосфора (0, 3 – 1, 2 %), жидкотекучи и используются для художественного литья. Установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ 00, СЧ 120 – 280, СЧ 150 – 320, СЧ 180 – 360, СЧ 210 – 400, СЧ 240 – 440, СЧ 280 – 480, СЧ 320 – 520, СЧ 360 – 560, СЧ 400 – 600, СЧ 440 – 640. «СЧ» обозначает серый чугун. Первое число показывает предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе – предел прочности при испытании на изгиб. Чугун марки СЧ 00 не испытывается.

Кроме указанных чугунов применяются легированные чугуны, которые наряду с обычными примесями содержат легирующие элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность износоустойчивость, сопротивление ржавлению и т. д.

Ковкие чугуны – разновидность серых чугунов, полу- чаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. При этом цементит распадается, и выделившийся при его распаде графит образует хлопьявидные включения, равномерно рассеянные в массе феррита. Ковкие чугуны наиболее пластичны из всех видов чугунов. Из серых чугунов изготовляют элементы строительных конструкций; в том числе и таких ответственных, как опорные части железобетонных балок, ферм, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена и др.

На долю цветных металлов приходится всего лишь 5 % мирового производства металлов, Это объясняется их небольшим содержанием в земной коре, малым содержанием в рудах, а также сложностью производства.

В строительстве из цветных металлов и сплавов изготовляют легкие конструктивные элементы, теплообменные аппараты, электрооборудование, химически- и огнестойкие конструкций и т. д. Большое количество цветных металлов и их сплавов используют в строительных машинах, оборудовании и инструментах. Широко применяемые цветные металлы называют техническими. К ним относятся медь, алюминий, магний, титан, никель, свинец, цинк, олово. Остальные цветные металлы относятся к редким. В чистом виде цветные металлы применяют редко, чаще – в виде сплавов. Большое распространение получили медные сплавы: латуни и бронзы.

Латунь – это сплав меди с цинком. Кроме двухкомпонентной латуни в промышленности применяют сплавы, содержащие А1, Рb, Ni, Sn, Мn. Латуни в зависимости от химического состава подразделяются на марки: томпак Л96 и Л90 (88 – 97% Сu), полутомпак Л80 и Л85 (79 – 86 % Сu), латунь Л62, Л68 и Л70 (цифры 62, 68 и 70 показывают содержание меди, %), алюминиевая латунь ЛА77-2, марганцовистая латунь ЛМц58-2, железомарганцовистая ЛЖМц59-1-1 и никелевая латунь Л Н65-5.

Бронза – это сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, никелем, кремнием, бериллием и другими элементами. Бронза маркируется буквами Бр, а далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100 % и общим процентным содержанием остальных элементов. Например, бронза марки БрОЦС 8-4-3 содержит 8 % Sn, 4% Zn, 3 % Рb и 85 Сu. Различают бронзы оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот, алюминиевую (очень прочна, химически стойка, обладает антифрикционными свойствами), кремнистую (хорошо работает в условиях трения и высокой температуры) и бериллиевую (искробезопасна).

Алюминий – один из распространенных металлов в земной коре. Мировое производство алюминия с каждым годом все больше увеличивается. Применение алюминия и его сплавов наиболее эффективно при возведении легких конструкций зданий и сооружений, конструкций, подверженных действию агрессивной коррозионной среды, а также конструкций и изделий, к внешнему виду которых предъявляются повышенные требования – элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты высотных зданий и т. п.

Предел прочности чистого алюминия составляет 10 МПа, а некоторых конструкционных алюминиевых сплавов доходит до 62 МПа. Плотность алюминия и его сплавов составляет 2; 65 – 2, 85, а стали 7, 85 г/см', т. е. алюминий легче стали почти в 3 раза. Модуль упругости алюминия небольшой – 0, 71 • 10⁵ МПа, т. е. в три раза меньше, чем стали (2, 1•10⁵МПа). Это значит, что деформации алюминиевых конструкций при прочих равных условиях будут значительно превышать деформации стальных конструкций. Алюминий и его сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения (22 10^-6), чем сталь (11, 8 10^-6).

На воздухе поверхность алюминия быстро теряет металлический блеск, покрываясь тонкой и прочной защитной пленкой, состоящей из окиси алюминия. Защитная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления, обладает хорошей коррозионной стойкостью во многих средах.

Алюминиевые сплавы при низких температурах сохраняют свои Основные механические свойства (временное сойротивлейие, предел текучести, относительное удлинение). Алюминий и его сплавы при пластической деформации упрочняются за счет наклепа. Многие алюминиевые сплавы подвергаются термообработке для придания им высоких механических свойств. Термическая обработка обычно состоит из закалки и естественного или искусственного старения.

Искусственным старением называется нагрев закаленного алюминиевого сплава до температуры, не превышающей 150'С, с выдержкой при этой температуре в течение нескольких часов.

Физические свойства древесины

Истинная плотность древесины изменяешься незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы. В связи с этим среднюю плотность древесины можно принять равной 1, 54 г/см'. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. С увеличением влажности плотность древесины возрастает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 15 %.

Влажность выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.

Предел гигроскопической влажности (в, среднем он составляет около 30 %) соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины (считая гигроскопическую и капиллярную влагу) может значительно превышать 30 %. Например, влажность свежесрубленного дерева может колебаться от 40 до 120 %, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200 %. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влажности.

Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности пользуются номограммой. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8 – 12 %. Влажность воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на открытом воздухе составляет 15 – 18 %.

Показатели свойств (плотность, прочность), полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12 %. При необходимости численные характеристики древесины (например, предел прочности) пересчитывают к влажности 15 %.

Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок; клеток.

Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. Текстура дуба, чинится в отделочных работах. Древесные породы тропического пояса могут иметь своеобразные цвета. Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет блеск при загнивании. Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ.

Теплопроводность сухой древесины незначительна. Теплопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления потока теплоты: Теплозащитные свойства древесины широко используются в строительстве;

Электропроводность древесины зависит от её влажности. Древесина, используемая для электрической проводки (розетки, доски и т. п.), должна быть сухой.

2. Механические свойства древесины

Прочность древесины определяют путем испытания малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Минимальное количество образцов для проведения испытания вычисляют по формулам в зависимости от коэффициента вариации изучаемого свойства. Показатели прочности древесины должны быть пересчитаны на влажность 12 % (в случае необходимости – на влажность 15 %).

Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон. Определяют пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон. Прочность древесины на сжатие вдоль волокон в 4 – 6 раз больше ее прочности поперек волокон. Предел прочноти древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2, 5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии. Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика.

Следовательно, древесина по своей удельной прочности конкурирует с современными конструкционными материалами. Однако использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях.

Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1, 8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70 % прочности при растяжении, поэтому древесина (балки, настилы и т. п.) чаще всего работает на изгиб. К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.

Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т. п. в деревянных конструкциях. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6 – 13 МПа, а при скалывании поперек волокон в 3 – 4 раза выше. Кроме этих испытаний, может определяться предел прочности древесины при перерезании поперек волокон.

Статическая твердость (рис. 12.10, г) численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5, 64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см'). Твердость древесины по торцу на 15 – 50 % выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях.

Гниение – разложение целлюлозы древесины вследствие деятельности дереворазрушающих грибов и микроорганизмов.

Способы предотвращения гниения имеют своей целью создание условий, неблагоприятных для развития дереворазрушающих грибов. Поскольку грибы развиваются при определенной влажности, то основным средством предотвращения гниения, является применение для деревянных конструкций, находящихся на воздухе, сухой древесины и предохранение ее в дальнейшем от увлажнения. Достигается это прокладкой гидроизоляции между деревянными элементами и другими частями здания, использованием соответствующих красочных составов (лаков, эмалей, масляных красок). Большое значение имеет создание условий для естественной вентиляции, обеспечивающей постоянное проветривание деревянных конструкций и предотвращающей накопление влаги в древесине. Однако нельзя предохранить древесину от увлажнения, когда деревянная конструкция или ее часть подвергается в процессе эксплуатации систематическому попе- ременному увлажнению и высыханию. В этих условиях основным способом борьбы с гниением является химический – введение в древесину антисептиков - (веществ, ядовитых для грибов).-

Антисептики, обладая токсичностью по отношению к грибам, должны быть безвредными для людей и животных. Применяют антисептики, не понижающие прочности древесины и не вызывающие коррозии металлических креплений. Кроме того, антисептики должны сохраняться в условиях эксплуатации. Для воздушных условий обычно применяют антисептики, растворимые в воде. Антисептирование деревянных элементов, подвергающихся действию воды (шпалы, столбы, сваи и т. п.), осуществляют нерастворяющимися маслянистыми веществами.

Водорастворимые антисептики – неорганические и некоторые органические – применяют в виде водных растворов и антисептических паст. К этой группе антисептиков относятся соли и водорастворимые смолы.

Фторид натрия технический – белый порошок без запаха, не изменяющий цвет древесины; рабочая концентрация раствора 2--3 %, растворимость в воде при 16 – 18'С составляет 4, 5 %. Обладает высокой токсичностью по отношению к дереворастущим грибам и насекомым, часто используют в комбинации с другими антисептиками. При соединении с известью, цементом фторид натрия переходит в нерастворимый фторид кальция и теряет свою токсичность.

Кремнефторид натрия – порошок белого или серого цвета; его растворимость в горячей воде – около 2, 4 %. Применяют совместно с фторидом натрия в виде водного раствора, а также в составе антисептических паст.

Препараты ХХЦ (смесь хлорида цинка и натриевого или калиевого хромпика) и МХ ХЦ (смесь хлорида цинка, хромпика и медного купороса) трудно вымываются водой, но окрашивают древесину в желто-зеленый цвет и вызывают коррозию черных металлов, а при больших концентрациях несколько снижают прочность древесины.

Органорастворимые препараты типа ПЛ (растворы пентахлорфенола в легких нефтепродуктах) – высокотоксичные антисептики, хорошо проникающие в древесину.

Высокотоксичные антисептики, содержащие арсенаты металлов, в виде жидкостей и паст хорошо защищают древесину от загнивания, не ухудшая ее свойства и не оказывая корродирующего влияния на металлические детали. Ряд эффективных антисептических препаратов получают путем сочетания соли (например, фторид натрия): и водорастворимого органического антисептика (динитрофенола и др.).

Маслянистые антисептики не растворяются в воде, поэтому их используют для консервации древесины, находящейся на открытом воздухе, в воде или земле. Токсичность антисептиков этой группы обусловливается наличием в них фенола и его производных. Эти вещества содержатся в маслах, получаемых в результате переработки каменноугольного дегтя, который является одним из продуктов процесса коксования каменного угля.

Антраценовое масло – продукт перегонки каменно- угольного дегтя (при 270 – 410 'С), сильно токсичен, обладает специфичным резким запахом, темно-бурого цвета. Сланцевое масло применяют наравне с антраценовым маслом.

Защита древесины от возгорания

Существенным недостатком древесных материалов является их легкая воспламеняемость. Температура воспламенения древесины (соответствующая вспышке горю- чих газов) 250 – 300'С в зависимости от породы дерева, Продукты деструкции древесины, образующиеся при нагревании ее после удаления влаги, горят, начиная с температуры 170'С. Интенсивное же выделение горючих газов происходит при 280'С. Однако длительный нагрев древесины (от печей, дымоходов и т. д.) при более низких температурах (120 – 150'С) тоже может быть опасен вследствие постепенного обугливания древесины с образованием самовоспламеняющегося угля. При температуре выше 350'С газы, выделяющиеся из древесины, воспламеняются даже при отсутствии открытого пламени.

Для предупреждения возгорания деревянных элементов следует предусматривать соответствующие конструктивные меры: необходимо удалять дерево от источников нагревания; устраивать разделки из несгораемых материалов (бетона, кирпича и т. п.), покрывать деревянные части слоем малотеплопроводного минерального материала (асбестового, пористой штукатуркой и т. п.). Для предохранения от огня поверхность деревянных конструкций покрывают огнезащитными красочными составами или пропитывают огнезащитными веществами – антипиренами.

Огнезащитные красочные составы изготовляют из связующего вещества (обычно жидкого стекла), наполнителя (кварцевого песка, мела или магнезита) и щелочестойкого пигмента (охры, мумии и т. п.). Огнезащитное действие окраски проявляется в том, что при пожаре краска пузырится, образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины. Если горючие гази все таки образуются и прорывают красочное покрытие, то их воспламенение происходит на некотором расстоянии от поверхности деревянного элемента.

Защитное действие одних антипиренов основано на том, что при пожаре они плавятся и древесина покрывается пленкой, затрудняющей доступ кислорода. Защитное действие других антипиренов состоит в том, что при нагревании они выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода в газовой среде возле конструкции.

Антипиренами являются фосфорно-кислые и серно-кислые соли аммония. Сульфат аммония при нагревании диссоциирует. Образовавшаяся сильная кислота дегидратирует поверхностный слой древесины, который защищает внутреннюю необугленную древесину от сильного нагрева. Бура – борно-натриевая соль, при нагревании выделяет пары воды и плавится, образуя пленку на поверхности конструктивного элемента. Растворы антипиренов применяют для поверхностной обработки и пропитки древесины, их используют для повышения огнестойкости древесных материалов и изделий.