строительные материалы практика / испытание и исследование строит мат-лов

8.1 Классификация металлов и сплавов

Металлы – это кристаллические вещества, характеризующиеся рядом специфических свойств такими, как электо-теплопроводность, блеск, способность хорошо отражать электромагнитные волны, высокие технологические свойства. Свойства металлов обусловлены их строением: в кристаллической решетке имеются свободные электроны, которые могут свободно перемещаться. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы. В технике применяют, как правило, не чистые металлы, а сплавы, т.к. они обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью, лучше подаются разным видам обработки.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов с неметаллами. Составляющие сплавов называются компонентами. Различают следующие виды сплавов:

механические смеси, состоящие из смеси кристаллов компонентов;
однородные растворы, полученные при затвердевании расплавов;
химические соединения, образовавшиеся при химическом взаимодействии компонентов.

Наука, изучающая состав, строение, свойства металлов и сплавов, изменение их свойств под влиянием различных воздействий, называется металловедением. Металлы имеют кристаллическое строение, при затвердевании они образуют геометрически правильные системы – кристаллические решетки различных модификаций (рис 8.1). Процесс кристаллизации имеет некоторые особенности. Атомы металлов являются положительно заряженными ионами, которые непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, кристаллы расширяются, а при температуре плавления колебания настолько усиливаются, что кристаллическая решетка разрушается. Кристаллы анизотропны, имеют неодинаковые свойства по разным направлениям, что объясняется различным числом атомов решетки в разных сечениях. Различают первичную и вторичную кристаллизацию металлов. Первичная кристаллизация – образование кристаллической структуры в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое. Вторичная кристаллизация – это изменение кристалического строения металлов в твердом состоянии, это так называемая аллотропия металлов и сплавов.

Характерными физическими свойствами металлов являются: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании. К химическим свойствам относятся: окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность и другие. Основные механические свойства: прочность на растяжение, твердость, ударная вязкость, усталость и т.д. Для исследования и испытания металлов и сплавов используют следующие методы:

Химический анализ устанавливает наличие химических элементов в металле и сплаве.
Макроанализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или в лупу. Позволяет обнаружить усадочные раковины, пустоты, трещины, неметаллические включения, наличие вредных примесей (серы, фосфора).
Микроанализ – изучение структуры металлов с помощью микроскопа. Позволяет определить структурные составляющие металлических сплавов, наблюдать расположение фаз, их форму и размеры.
Термический анализ сводится к определению критических точек при нагревании и охлаждении с построением кривых «температура – время».
Рентгенографический анализ основан на различной степени поглощаемости рентгеновских лучей металлом и сплавом: сильнее – сплошным металлом, меньше там, где находятся газовые и шлаковые включения, трещины. Все это фиксируется на экране или фотоснимках.
Ультразвуковая дефектоскопия основана на различной скорости прохождения ультразвука, позволяет обнаружить инородные включения, раковины, трещины.
Механические испытания, подразделяются на статические и динамические. При статических испытаниях металл подвергается действию постоянной силы или силы, возрастающей медленно. При динамических испытаниях металл подвергается действию ударов или быстро возрастающей силы.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные. Черные металлы (чугун и сталь) – это сплавы железа с углеродом. В стали содержание углерода составляет до 2,14%, в чугуне – 2,14…6,67%. Цаетные металлы делят по плотности на легкие (ρ<3 г/см³) и тяжелые (ρ>3 г/см³). Наибольшее применение в строительстве получили стали. Это каркасы промышленных и гражданских зданий, конструкций мостов, эстакад, труб и др. сооружений, арматура для железобетона. В современном строительстве расширяется область применения цветных металлов – это конструкции из алюминиевых сплавов, архитектурно-строительные детали, обладающие высокой коррозионной стойкостью и декоративностью. По назначению металлы делят на конструкционные, инструментальные, специальные.

Изучение и исследование металлов проводится группами студентов из 2-3 человек на образцах железоуглеродистых сплавов. Построение кривой охлаждения, назначение режима термической обработки производится для заданного преподавателем сплава по диаграмме состояния Fe – Fe₃C. Результаты работ оформляются в специальном журнале в виде таблиц, графиков, рисунков, проводится их анализ и делаются выводы.

а б в

Рис. 8.2. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток

Содержание