Металлы

                   ВВЕДЕНИЕ                  

    Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека.

    Металлами называют вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим.

    Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

    Термин «металл» произошёл от греческого слова métallon (от metalléuō – выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metalléia.       В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть.    По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото.      Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно».     В кон. 18 в. А.Л. Лавуазье  опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества.    В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn).  По мере развития методов химического исследования числоизвестных металлов возрастало.   В 1-й пол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы,   положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-63 методом спектрального анализа были    открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов,   предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона.

        Открытие  радиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных   металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с сер. 20 в. были искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.     В конце 19 – начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия –  наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось   исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения . Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими  металлургами П.П. Аносовым (1799–1851) и Д.К. Черновым (1839–1921), впервые  установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.     П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы  получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. Применил   микроскоп для исследования строения металлов.   Д. К. Чернов продолжил труды П. П. Аносова. Он по праву считается В конце 19 – начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения.     Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими    металлургами П.П. Аносовым (1799–1851) и Д.К. Черновым (1839–1921), впервые    установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.    П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы   получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. Применил  микроскоп для исследования строения металлов.  Д. К. Чернов продолжил труды П. П. Аносова. Он по праву считается  основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов. Его   научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической   обработки стали.     Открытые Д. К. Черновым критические точки в стали явились основой для    построения современной диаграммы состояния системы железо – углерод.    Классические труды «отца металлографии» Д. К. Чернова развивали выдающиеся     русские ученые.           

      Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А. А. Ржешотарским(1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых Н. И. Беляева, Н. С. Курнакова, А. А. Байко-ва, С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова и  др.   Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных   центрах с применением электронных микроскопов и другой современной  аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого  тела.    Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и   находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств.    Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами,   многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие  металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.

                                         КЛАССИФИКАЦИЯ.               

        В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее  распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%) и    незначительное – сплавы цветных металлов                              

       Классификация металлов и сплавов. Черные металлы — техническое название железа и железных сплавов (чугун, сталь, ферросплавы). В течении тысячелетий развитие человеческого общества неразрывно связано с использованием железа как основного материала для изготовления орудий труда. Несмотря на высокий рост продукции цветной металлургии, химической промышленности, промышленности стройматериалов, чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в строительстве и машиностроении. По объёмам производства большинства важнейших видов продукции черной металлургии (чугуна, стали, железной руды, стальных труб, огнеупоров, кокса) Россия занимает 1-е место в мире. Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

        Более подробно рассмотрим классификацию стали.   Сталь углеродистая обыкновенного качества.

         Сталь — это сплав железа (могут входить и другие сплавы), чугуна и углерода. Углерод в этом сплаве является незаменимым компонентом, его содержание около 2%. В зависимости от состава стали, она может быть прочным материалом или твердым. Прочный материал используется для изготовления морских судов, мостов. Что же касается твердой стали, она используется для изготовления различных металлорежущих инструментов. Существует также нержавеющая сталь, которая является очень прочным и антикоррозионным материалом. Нержавеющая сталь состоит из хрома и никеля. Сталь — это материал, которому можно придавать любую форму с помощью прокатки, прессования или литья. С помощью термообработки, возможно, получить сталь, которая будет обладать различными как химическими, так и физическими свойствами. Некоторые мягкие стали обрабатываются ручным инструментом. Твердой сталью можно даже резать стекло. Сталь легко подвергается методу полировки.

        Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает  содержание углерода  . При увеличении содержания углерода повышаются  прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и   ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.

        Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы – красноломкость  стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04...0,09 %,   а серы 0.04..Д07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород:    содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % –   красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве 0,8...1 % не   оказывают практически влияния на механические свойства углеродистых сталей.  В    стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно   превышать 0,12...0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость  стали и снижает пластичность.                               

          Влияние углерода на механические свойства отожженных сталей.                       

       При обозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым сталь поставляется («А» – по механическим свойствам, «Б» – по химическому составу,    «B» – по механическим свойствам и дополнительным требованиям по химическому   составу); методу производства («М» – мартеновский, «Б» – бессемеровский, «K» – кислородно-конвертерный); дополнительные индексы («сп» – спокойная сталь, «пс» – полуспокойная Сталь, «кп» – кипящая сталь). В группе «А» индекс «М»  часто опускается, но имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии  индексов «сп», «пс», «кп» имеется в виду сталь спокойная.

        Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на 12...15 %   дороже  кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, но в результате и незначительного  расхода раскислителей стоимость ее меньше, чем спокойной.

Механические  характеристики стали зависят также  от формы и толщины проката.

Углеродистые  стали обыкновенного качества применяют без термообработки.

    Чугун — это сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14%. Чугун обладает хорошими литейными свойствами и малой способностью к пластической деформации. В его структуре содержатся графитовые включения — размер и форма, которые определяют тип чугуна и его применение для изготовления различных изделий. Серый чугун — это чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Высокопрочный чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита, применяется для изготовления деталей, подвергающихся значительным механическим нагрузкам. Ковкий чугун имеет более высокие характеристики пластичности по сравнению с вышеуказанным чугуном и применяется при изготовлении деталей, где требуются более высокие показатели механических свойств. В зависимости от условий кристаллизации образуется графит различной формы, который в значительной степени и влияет на свойства чугуна. 

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ПРИМЕНЯЙМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ :

       Арматура - это изделие из металла, применяемое для армирования железобетонных конструкций. Арматуростроение развивалось с развитием систем водоснабжения и появлением первых насосов. В дальнейшем, с появлением и развитием промышленности, все больше развивается и специальное арматуростроение, необходимое для транспортировки рабочих сред в различных отраслях народного хозяйства. Арматура - горячекатаная круглая сталь гладкого и периодического профиля, предназначенная для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Стальная  арматура, изготавливаемая из низколегированной  и углеродистой стали, подразделяется на горячекатаную стержневую и холоднотянутую проволочную арматуру. Наибольшее распространение  получила стержневая стальная арматура, представляющая собой круглые профили  длиной от 6 до 12 м с двумя продольными  ребрами и поперечными выступами. По характеру профиля арматура классифицируется на гладкую и рифленую: гладкая арматура – это класс А-I, а рифленая арматура (периодический профиль для армирования) – классы A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI.

      Балка – это представляющая собой изделие из углеродистой и низколегированной стали, широко используется в гражданском и промышленном строительстве. В возведении перекрытий, гидротехнических сооружений, колонных металлоконструкций и подвесных путей нашла свое применение двутавровая балка с сечением в виде буквы «I».

Балки классифицируются по своему основному  назначению: к примеру, колонная (К), или для подвесных путей (М), а  также по способу производству (стальная горячекатаная); отличаются и по таким  характеристикам, как толщина стенки и полки и расположение граней полок: широкополочная, с параллельными  гранями, и пр.

      Швеллер -  Швеллер - это изделие, обычно металлическое, коробчатого П-образного сечения (высотой 50-400 мм, с толщиной стенки 4-15 мм).

    Стальной швеллер изготавливают  главным образом горячей прокаткой  заготовки на сортовых станах, швеллер с тонкими полками  - гибкой полосы на профилегибочных  станах, швеллер из цветных металлов  и сплавов - обычно прессованием.

    Швеллеры стальные горячекатаные  ГОСТ 8240-89

    Стальной горячекатаный швеллер  общего и специального назначения  высотой от 50 до 400 мм и полок  от 32 до 115 мм выпускается следующих  типоразмеров:

- с уклоном  внутренних граней полок: 5, 6.5, 8, 10, 12, 14, 16, 16а, 18, 18а, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 40.

- с параллельными  гранями полок (П): 5П, 6.6П, 8П, 10П, 12П, 14П, 16аП, 18П, 18аП, 20П, 22П, 24П, 27П, 30П, 33П, 36П, 40П.

    Швеллер горячекатаный применяется  в строительстве мостов, большепролетных  ферм, а также в колоннах, кровельных  прогонах и различных отраслях  промышленности, являясь экономичным  и практичным решением.Стальные горячекатаные швеллеры бывают общего и специального назначения и изготавливаются высотой от 50-400 мм и шириной полок от 32-115 мм. По форме и размеру швеллер классифицируется на швеллеры с уклоном внутренних граней полок (У), швеллеры с параллельными гранями полок (П), а также на специальные швеллеры (С), используемые в автомобильной промышленности.

     Катанка - это достаточно доступный по стоимости и одновременно качественный материал. сновное назначение катанки - это перетяжка на проволоку. Из катанки изготавливают просто не заменимую в производстве и различных областях промышленности сварочную проволоку. Благодаря катанке получают и телеграфную проволоку, и строительные канаты, и многие другие конструкции.

Катанка бывает следующих видов:

- катанка  стальная;

- катанка  алюминиевая;

- катанка  медная и др.

    Также катанку подразделяют на  изделия повышенной и обычной  точности. Диаметр катанки колеблется  от 5 до 9 мм. Производство осуществляется  в мотках, главное, чтобы витки  были не перепутаны. Иногда мотки  состоят из двух отрезков. Перед  использованием обязательно проверяются  механические характеристики катанки.  Катанка также может различаться  по химическому составу. Все  это определяется заранее для  того, чтобы проволока получилась  с точными физическими и химическими  свойствами, чтобы при ее использовании  некоторые технологические параметры  не стали сюрпризом, а то  и не привели к возникновению  проблем. Очень важно при проивзодстве сэкономить и материалы и труд, поэтому заранее планируются размеры проволоки с помощью определения точных технических размеров, веса бунта катанки, а также формы его поперечного сечения.

    Медная и алюминиевая катанки  исползуются для изготовления массовых сортов проволоки. Чаще всего они используются в системе электроснабжения. Помимо всех свойств катанка должна обладать хорошей пластичностью и деформируемостью, поскольку именно от этих характеристик зависит степень волочения стали. Чтобы определить качество катанки, оценивают и геометрические характеристики материала. Также следят за тем, чтобы поверхность была чистой и чтобы поперечное сечение не имело дефектов. Но важнейшим элементом определения качества является метод производства катанки, который сопровождается дальнейшей обработкой, в том числе прокаткой, разливкой и др. Все это в совокупности предопределяет структуру катанки. При изготовлении главное учтесть тот фактор, что катанка должна будет использоваться при холодном волочении проволоки, а значит, технология ее производства должна быть разработана таким образом, чтобы холодное деформирование было возможным. Ведь от этого процесса во многом зависит качество изготавливаемой проволоки. В части структуры катанки основополагающим процессом является горячая прокатка. Но также немаловажна процедура охлаждения катанки перед ее смоткой. Каждый виток охлаждается по разному, от чего зависит формирование стрктуры металла. Производится катанка из стали разных марок.