1.3. Значение конструкционных материалов и способов их обработки в промышленности и строительном производстве.

Что же сегодня понимается под металлами?…

Под металлами в технике подразумеваются как химические элементы, так и их соединения (сплавы), которые характеризуются специфическими свойствами: металлическим блеском, высокими электро- и теплопроводностью, непрозрачностью, способностью подвергаться обработке в горячем и холодном состояниях (ковка, прокатка, сварка, обработка резанием и др.). Такие признаки металлов обуславливаются их электронными межатомными связями и кристаллическим строением. Изменяя внутреннее строение металлов механической, термической, а также термомеханической обработкой, можно изменять их свойства.

Все металлы можно разделить на 2 большие группы – черные и цветные металлы.

Черные металлы (промышленное название железа и сплавов на его основе) имеют серебристо-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, высокую твердость; для них характерен полиморфизм.

По этим признакам их можно разделить на:

– железные металлы – Fe, Co, Ni (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа;

– тугоплавкие металлы – металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (т.е. > 1539 ⁰C). Применяются как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;

– урановые металлы используются для нужд атомной энергетики;

– редкоземельные металлы – лантаноиды (лантан, церий, цирконий, неодим и др.). Эти металлы обладают весьма близкими химическимим свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Применяются они как присадки к сплавам других элементов;

– щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии применяются в специальных случаях, например в качестве теплоносителей в атомных реакторах.

Цветные металлы (промышленное название всех металлов, за исключением железа) имеют характерную окраску (красные, желтые, белые), обладают большой пластичностью, малой твердостью и относительно низкой температурой плавления. Цветные металлы можно разделить на группы:

1. Легкие металлы – алюминий, магний, титан, бериллий и сплавы на основе алюминия и магния, которые имеют низкую плотность (до 5г/см³).

2. Тяжелые металлы – медь, олово, цинк, свинец, кобальт и сплавы на основе меди, которые имеют плотность более 5 г/см³.

3. Тугоплавкие металлы – ванадий, вольфрам, кобальт, молибден, титан и др., а также сплавы на их основе.

4. Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, индий, олово, свинец, висмут, сурьма и др. Имеют низкую температуру плавления.

5. Благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). Имеют высокую коррозионную стойкость.

В историческом аспекте применение металлов началось с золота (1 млн. лет до н.э.), серебра (4…6 тыс. лет до н.э.), меди. Затем начали применять металлы, которые легко восстанавливаются и поддаются обработке, в частности, при температурном нагреве [свинец, олово, железо (3 тыс. лет до н.э.)].

В настоящее время в строительстве чаще всего применяют не чистые металлы, а полученные на их основе сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%) и незначительное – сплавы цветных металлов (рис. 1.2).

Основная часть при изготовлении и применении черных металлов и сплавов приходится на железо (в виде его сплава с углеродом – сталь). Так, по данным Международного института чугуна и стали (IISI), в 2006 году объем мировой выработки стали составил 1 239,5 млн. тонн, что на 65,3 % превысило общие мировые показатели десятилетней давности и на 45,7 % – пятилетней. При этом наиболее значительный рост за последние десять лет отмечается в Азии,

Рис. 1.2. Классификация металлов и сплавов

в частности в Китае. Так, в 1996 г. Китай произвел 101,2 млн. тонн стали; к 2001 г. этот показатель возрос на 49,1 % и составил 150,9 млн. тонн; в 2006 г. Китай произвел 418,8 млн. т. стали – таким образом, всего за десять лет производство стали в Китае выросло на 313,8 %. Также заметно выросла доля Китая в мировом производстве стали, достигнув в 2006 г. 33,8 % от общего мирового производства.

В 2006 году тремя ведущими производителями стали были Китай (418,8 млн. тонн), Япония (116,2 млн. тонн) и США (98,5 млн. тонн). В десятку ведущих стран-производителей стали в мире также вошли Россия (70,6 млн. тонн), Южная Корея (48,4 млн. тонн), Германия (47,2 млн. тонн), Индия (44,0 млн. тонн), Украина (40,8 млн. тонн), Италия (31,6 млн. тонн), Бразилия (30,9 млн. тонн).

Значительный процент использования черных металлов и сплавов, в частности стали, связан с редким сочетанием полезных свойств: высокие прочность, пластичность, вязкость, способность поддаваться обработке сверлением, строганием, свариванием, резке и др., относительно низкая стоимость (так, относительная стоимость железа – 1; алюминия – 6; меди – 8; титана – 160; серебра – 290; золото – 11000; платина – 27000), легкость (под которой понимается отношение плотности к расчетному сопротивлению), непроницаемость для газов и жидкостей, высокая электро- и теплопроводность.

Сталь имеет и ряд недостатков; в общем случае к основным недостаткам стали относят: низкую коррозионную стойкость, низкую огнестойкость.

Не защищенная от действия атмосферной влаги, а иногда (что актуально для промышленных регионов) атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь корродирует (окисляется), что постепенно приводит к ее полному разрушению. При неблагоприятных условиях это может произойти через два-три года. Хотя алюминиевые сплавы обладают значительно большей стойкостью против коррозии, при неблагоприятных условиях они также корродируют. Хорошо сопротивляется коррозии чугун.

Повышение коррозионной стойкости стальных конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов, периодическим покрытием конструкций защитными пленками (лаки, краски и т.п.), покрытием элементов конструкций при их изготовлении защитными покрытиями, в частности металлами, имеющими высокую коррозионную стойкость (оцинковка), а также выбором рациональной конструктивной формы элементов (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль), удобной для очистки и защиты (узлы сварных конструкций желательно обваривать по периметру, во избежание появления и развития щелевой коррозии).

Низкая огнестойкость. У стали при температуре 200 ⁰С начинает уменьшаться модуль упругости, при t=600⁰С сталь практически полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние уже при температуре t=300⁰С. Поэтому металлические конструкции зданий, опасных в пожарном отношении (склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами, жилые и общественные здания), а также эксплуатирующиеся в условиях с повышенным тепловыделением (мартеновские цеха), должны быть защищены огнестойкими покрытиями (бетон, керамика, специальные смеси и т.п.).