 |
|
Структура малоуглеродистой стали.
Структура малоуглеродистой стали, определяющая её механические свойства, зависит от температуры. ?Температура плавления чистого железа 1535°C. При охлаждении ниже 1535°C в процессе кристаллизации образуется так называемое d - железо, имеющее кристаллическую решётку объёмно-центрированного куба (ОЦК-решётку)
При температуре 1400°C железо находится в твёрдом состоянии и в процессе охлаждения происходит новое превращение и из d - железа образуется g - железо, обладающее гранецентрированной решёткой (ГЦК-решёткой).
При температуре 910°С кристаллы с ГЦК - решёткой вновь превращаются в объёмно – центрированную, и это состояние сохраняется вплоть до отрицательных температур, но последняя модификация a - железо.
 |
Температура плавления железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. При остывании в g - железе образуется твёрдый раствор, называемый аустенитом, в котором атомы углерода располагаются в центре ГЦК – решётки:
При температурах, лежащих ниже 910°С из аустенита начинают выделяться кристаллы твёрдого раствора углерода в a - железе, называющиеся ферритом. По мере выделения феррита из аустенита, последний всё более обогащается углеродом и при температуре 723°С превращается в перлит, то есть смесь, состоящую из перемежающихся пластинок феррита и карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Таким образом, структура охлаждённой до комнатной температуры стали, состоит из двух фаз: феррита и цементита, который образует самостоятельные зёрна и входит в феррит в виде пластинок. Величина зёрен оказывает значительное влияние на механические свойства стали. Чем меньше зёрна, тем выше качество стали.
 |
Структура низколегированной стали аналогична малоуглеродистой стали. Введение добавок упрочняет ферритовую основу и прослойки между зёрнами. Углерода в стали должно быть не более 0,22 %.
В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термообработанные(закалка в воде и высокотемпературный отпуск).
По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.
Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь – промежуточная между кипящей и спокойной.
Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее, поэтому в строительстве используют низколегированные стали с содержанием добавки не более 5%.
- Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).
Элементы влияющие на качество стали:
Кремний
В малоуглеродистые стали добавляют до 0,3%, а в низколегированные стали до 1%.Кремний, так же как и углерод, увеличивает прочность стали, но ухудшает её свариваемость.Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.
Алюминий
Входит в сталь в виде твёрдого раствора феррита, а так же в виде различных карбидов и нитридов. Хорошо раскисляет сталь, повышает ударную вязкость и нейтрализует вредное влияние фосфора.
Марганец
Снижает вредное влияние серы. В малоуглеродистых сталях содержится до 0,6%, а в легированных до 1,5%. При содержании более 1,5% сталь становится хрупкой.
Медь
Несколько повышает прочность стали и увеличивает её стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (более 0,7%) способствует старению стали.
Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а так же способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими элементами является марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан.
Хром и никель повышают прочность стали, без снижения пластичности
и улучшают ее коррозионную стойкость
Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.
Прочность низколегированных сталей так же повышается с введением никеля,. меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твёрдых растворов (феррита).
Вредные примеси:
Фосфор
Образует раствор с ферритом и повышает хрупкость стали, особенно при низких температурах (хладноломкость стали).
Сера
Делает сталь красноломкой вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. При этом образуются трещины в стали при температурах 800¸1000°С.
Таким образом содержание серы и фосфора в стали ограничено. Например в углеродистой стали серы должно быть не более 0,05%, фосфора до 0,04%.
Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение газами, которые могут попасть из атмосферы в металл находящийся в расплавленном состоянии (кислород, азот, водород). Газы повышают хрупкость стали. При сварке необходима защита от воздействия атмосферы. Изменение свойств стали, может произойти так же в результате термической обработки.
Углерод (У)повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У < 0,22%).
Азот в несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%.
Маркировка стали:
Ст 3 сп – строительные стали (спокойные)
Ст 3 кп – (кипящие), более дешёвые стали, качество ниже чем у спокойных и применяются только во второстепенных конструкциях (не применяются для конструкций работающих на динамическую нагрузку, то есть подкрановые балки).
В зависимости от назначения сталь поставляется по трем группам:
А – по механическим свойствам;
Б – по химическому составу;
В - по механическим свойствам и химическому составу.
Пример маркировки легированных сталей
10 ХСНД
- 10 –0,1% углерода;
- Х » 1% хрома;
- С » 1% кремния;
- Н » 1% никеля;
- Д » 1% меди.
09 Г 2 С
- 09 – 0.09% углерода;
- Г 2 » 2% марганца;
- С » 1% кремния.
Структура и термическая обработка металлов.
Структура малоуглеродистой стали, определяющая её механические свойства, зависит от температуры охлаждения. Температура плавления чистого железа 1535°C. При охлаждении ниже 1535°C в процессе кристаллизации образуется так называемое d - железо, имеющее кристаллическую решётку объёмно-центрированного куба (ОЦК-решётку)
 |
При температуре 1400°C железо находится в твёрдом состоянии и в процессе охлаждения происходит новое превращение и из d - железа образуется g - железо, обладающее гранецентрированной решёткой (ГЦК-решёткой).
При температуре 910°С кристаллы с ГЦК - решёткой вновь превращаются в объёмно – центрированную, и это состояние сохраняется вплоть до комнатной и отрицательных температур. Последняя модификация железа называется a - железом. При введении углерода в сталь температура плавления снижается.
 |
Температура плавления железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. При остывании в g - железе образуется твёрдый раствор, называемый аустенитом, в котором атомы углерода располагаются в центре ГЦК – решётки:
При температурах, лежащих ниже 910°С из аустенита начинают выделяться кристаллы твёрдого раствора углерода в a - железе, называющиеся ферритом. По мере выделения феррита из аустенита, последний всё более обогащается углеродом и при температуре 723°С превращается в перлит, то есть смесь, состоящую из перемежающихся пластинок феррита и карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Таким образом, структура охлаждённой до комнатной температуры стали, состоит из двух фаз: феррита и цементита, который образует самостоятельные зёрна и входит в феррит в виде пластинок. Величина зёрен оказывает значительное влияние на механические свойства стали. Чем меньше зёрна, тем выше качество стали.
Структура низколегированной стали аналогична малоуглеродистой стали. Введение добавок упрочняет ферритовую основу и прослойки между зёрнами. Углерода в стали должно быть не более 0,22 %.
Целью термической обработки является искусственное изменение структуры сплава для улучшения его прочности, деформационных и упругих свойств. Такое изменение возможно, так как под влиянием температуры изменяется структура, величина зерна и растворимость компонентов сплавов.
Простейшим видом термической обработки является нормализация, заключающаяся в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита. При этом происходит измельчение крупных зёрен феррита и образуется несколько зёрен аустенита.
Например: при остывании стали от температуры 880°С в крупном зерне аустенита цементиты разбивают зерно на несколько зёрен феррита. Величина зерна зависит от условий кристаллизации. При нагревании, энергия накопленная во время пластической деформации освобождается и при температуре 400°С проявляется в виде интенсивного роста зёрен. Это явление называется рекристаллизацией. Точно так же при нагревании может получить рост зерна и аустенит. Такое явление наблюдается при высоких температурах (>900°С) и называется перегревом.
При остывании или при медленном охлаждении процесс происходит в обратном направлении и сталь получает уравновешенную феррито – перлитную структуру. Процесс медленного остывания после нагрева называется отжигом.
При отжиге восстанавливается не только нормальная структура, но и снимаются все внутренние напряжения, которые появляются при нагреве. Поэтому отжиг применяется весьма часто и является простейшим видом термообработки.
При быстром остывании материала, имеющего фазовое превращение, нагретого до температуры на 20¸40°С выше линии 723¸910°С происходит закалка. Для проведения закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз.
При быстром охлаждении углерода выделяется очень мало, и успевает произойти только первая часть фазового превращения, то есть замена пластин аустенита на решётку феррита. В результате получается структура феррита с включением в неё углерода, которая называется мартенситом. Такая структура очень прочная и упругая, но хрупкая и вредная для применения в металлоконструкциях.
При несколько замедленном остывании и более высоком отпуске, углерод выделяется в большом количестве, образуя цементит, однако образование перлита не успевает произойти и цементит сохраняется в мелком (дисперсном) виде. Получается весьма прочный, мелкозернистый и пластичный продукт называемый троститом.
Отпуском – нагрев до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течении необходимого времени, а затем медленное охлаждение.
При более высокой температуре отпуска, но меньшей температуре образования перлита (»700°С) и ещё более медленном остывании, выделившийся цементит начинает собираться в более крупные группы, а так же равномерно упрочняет феррит и даёт прочную и пластичную структуру называемую сорбитом.
Указанные структуры могут получиться и без отпуска в зависимости от интенсивности остывания. Интенсивность остывания подбирается по появлению мелкоперлитной фазы. В результате сталь получает весьма мелкозернистую структуру с равномерным распределением перлита, то есть получается материал аналогичный низколегированной стали, но значительно более дешёвый, с высокими механическими свойствами (sт=30¸36 кг/мм2; sв=45¸50 кг/мм2).
3.Алюминиевые сплавы, их химический состав, механические и физические характеристики.
Область применения в строительстве. Коррозия стальных и алюминиевых строительных конструкций. Методы защиты.
Алюминиевые сплавы
Крайне легок g=2700кг/м3 (gст=7850кг/ м3)
Е=0,71*105 МПа (Ест=2,06*105МПа)
Х=0,265*105 МПа (Gст=0,78*105 МПа)
Весьма пластичен: Е=40-50% (Ест=21%)
=60…70 МПа , 
=20…30 МПа
Упрочнение алюминия производиться:
2) Легированием (увеличивает прочность, понижает пластичность, коррозийную стойкость)
5-7% - сплавы с содержанием легированных компонентов
И технический Alс содержанием примесей до 1%
2. нагортовкой (вытяжкой, холодной деформированием)
3. термической обработкой.
Alсплавы можно разделить на 2 вида:
а) Деформируемые (сброс давлением (прокаткой, вытяжкой, гибкой, прессованием))
б) Литейные (методом литья)
Деформированные сплавы применяют для производства листов прессованных профилей, труб, прутков, а так же для изготовления деталей ковкой и штамповкой.
Литейные сплавы в следствии низкой пластичности могут применятся только для опорных частей конструкций (Al8). Применяют в машиностроении.
| Система или группа | Наименование | Условное обозначение и состояние Al | ||
| Al | Технический Алюминий | АД1 | ||
| Al-Mn | Al- марганцовые сплавы | АМцМ | ||
| Al-Mg | Al –магниевые сплавы (магналии) | АМГ-2М АМг2Н2 | ||
| Al-Mg-Si | Сплавы повышающие пластичность и коррозийную стойкость | АД31Е*ЕАД31Е5 АД31Т1 АД31Т4 | ||
| Al-Zn-Mg | Высокопрочные сплавы, свариваемые | 1915,1915Т,1935Т | ||
| Высокопрочные сплавы, не свариваемые | 1925Т |
М- отожженный алюминий Al(мягкий)
Н- нагартованный Al
Н2- полунагартованный
Т- закаленное и естественно состаленое
Т1- Закаленное и искусственно состаренное
Т4- Не полностью закаленное и естественно состаренное
- не полностью закаленное и искусственно состаренное
Al-Mn– повышает коррозионную стойкость, хорошо сваривается, относительно дешевы используются для сварных конструкций.
Al-Mg-Si- средние прочностные показатели, используются для сварных и клепаных конструкций, достаточно пластичны.
Al-Zn-Mg-Cu– не свариваются только в клепанных конструкций.
|
Пластичные свойства закаленных сплавов улучшают в результате отпуска. Для этого сплав нагреваю до температуры 290-340 
, выдерживают при этой температуре в течении 1-1,5 часа с последующим охлаждением со скоротью 30 в час.
Защита конструкций Al сплавов от коррозии
В отличии от стали терпят ежегодно 20-80г каждого м2поверхности Al теряет 2-4г/ м2
В Al – плотная окисная пленка (0,0001…0,01мм, а у стали 3*10-7мм).
Коррозии бывают 3 видов:
1) Поверхностной 2) Местная
3) Межкристалична
Коррозия может быть химическое прохождение, то есть возникают под воздействием внешней стороны металла.
Или электрохимическим, вызываемой появлением электрического тока между сплавом и другим металлом при непосредственном соприкосновении или газовую среду способствующею контакту.
Межкристаллическая коррозия или электрохимический характер
Методы защиты:
1) Искусственное повышение окисной пленки до 0,003…0,025мм – анодное или химическое оксидирование.
2) Защита протекторами (прокладками)
3) Полирование (выравнивание красками и лаками)
Анодное оксидирование: состоит в создании окисной пленки толщина до 0,025мм. Al деталь соединенное с анодом и погруженная в раствор серной или H2ClO4 (хромовой) кислоты, катодом служат свинцовые пластины (на дне и стенках ванны). При прохождении тока на Al выделяется кислород которым растворяют старую пленку. После того изделие промывают в воде, а для цветного наполнения в водном растворе красителей (органических).
Химическое оксидирование: состоит в создании окисной пленки золотистого цвета на изделиях марки АД1М, АМцМ до 0,003мм 8-10минут. В водном растворе хромового ангидрида и второсилината натрия.
Защита протектами: применяется при контакте Al с другим металлом. Стальные элементы покрываются слоем чистого Al или Si или кадмия толщиной 20мк. В строительстве используются прокладки из резины, фольги, битумной или асфальтной обмазки и др., чтобы не было контакта Al с другим металлом.
Полирование: гладкая поверхность механическая, электрохимическая, химическая.