Состав, структура и свойства металлов

В твердом состоянии все металлы, металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов, образующих правильную кристаллическую решетку. Такое упоря­доченное расположение атомов отличает кристаллические материалы от аморфных (стекло), в которых атомы расположены беспорядочно.

Металлы, используемые в технике, состоят из большого числа кри­сталлов правильной и неправильной формы, которые называют зернами или кристаллитами. В 1 см металлических изделий (например, стального проката) содержатся десятки тысяч кристаллитов. По границам между зер­нами металла нарушается правильность строения кристаллической решет­ки. Кроме того, даже в химически чистом металле содержатся примеси инородных атомов, которые искажают кристаллическую решетку. Все эти нарушения строения приводят, прежде всего, к значительному снижению реальной прочности. Например, теоретическая прочность железа равна 1400 МПа, в то время как практическая не превышает 300 МПа.

Металлы способны при нагревании, приводящем к разрушению кри­сталлической решетки, переходить в вязкопластичное состояние, а при ох­лаждении расплава - в кристаллическое. Такой переход происходит при строго определенной температуре, которую называют температурой плав­ления или кристаллизации. Некоторые металлы (железо, олово и др.) спо­собны при повышении температуры изменять форму и расположение кри­сталлов в твердом состоянии. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в решетке называется аллотропией. Ряд металлов способны образовывать сплавы - сложные по составу соединения, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторы­ми неметаллами. В строительстве наибольшее применение нашли сплавы меди, алюминия, а также чугун, сталь, представляющие собой соединения железа и углерода.

Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и микрострукту­ры. Впервые эту зависимость, которую широко используют на практике, установил академик Н.С. Курнаков (1880 - 1941). Как правило, чем выше температура плавления металла или сплава, тем больше его прочность,

лучше тепло- и электропроводность. Для получения сплавов с задан­ными свойствами, а также оценки надежности работы металлических кон­струкций применяют макроскопический и микроскопический анализы: макроскопический проводят невооруженным глазом или используют лу­пу с увеличением до 30 раз на специально подготовленных образцах; мик­роскопический анализ заключается в исследовании структуры и состава металлов и сплавов при помощи специальных оптических и электронных микроскопов, где увеличение может достигать 3000 раз и более.

Механические свойства металлов зависят от вида нагрузки, усло­вий ее действия, температуры окружающей среды. Прочностные характе­ристики определяют испытанием стандартных образцов или самих изде­лий на специальных машинах. Режим испытания может быть статическим - нагрузка на образец увеличивается постепенно (определение прочности на сжатие, изгиб, разрыв), динамическим - нагрузка на образец действует мгновенно (испытание на удар), и повторно-переменным - нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению (испытание на усталость). Металлы испытывают на растяжение, сжатие, кручение, удар, усталость, твердость, ползучесть при комнатной, низких и высоких температурах.

Испытание на растяжение проводят с использованием разрывных машин. По величинам растягивающих нагрузок и соответствующим удли­нениям образца вычерчивают диаграмму растяжения, характеризующую поведение металла или сплава под нагрузкой до момента разрушения. Для испытания на удар используют маятниковый копер, который позволяет определить способность металла противодействовать динамическим на­грузкам и выявить его склонность к хрупкому разрушению при различных температурах. Испытанием на усталость оценивают возможность работы металлов (сплава) при действии многократных нагрузок, изменяющихся по величине и знаку. Способность металлов выдерживать большое число циклов испытаний называют выносливостью. Испытания проводят на ци­линдрических образцах путем воздействия на них при вращении изгибаю­щих нагрузок, которые вызывают знакопеременные напряжения, и доводят образец до разрушения.

Для определения твердости на практике применяют различные спо­собы, основанные на внедрении в металлическую поверхность наконечни­ка, выполненного из особо твердого материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир) и имеющего правильную форму в виде шарика, конуса или пира­миды. Наибольшее распространение получил метод Бринелля, основанный на расчете твердости по диаметру отпечатка вдавливаемого в поверхность металлического шарика определенной массы и диаметра. Условия испыта­ния ограничивают величину и время действия прилагаемой нагрузки.

При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделя­ют исследованию процессов их разрушения при действии газообразных и жидких сред в условиях обычной и высоких температур. Важность этих работ подчеркивает тот факт, что ежегодно 30 % производимого металла идет на восстановление потерь от коррозии, из них 10 % теряется безвоз­вратно.

Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь. Интенсивность коррозионного разрушения зависит в основном от трех факторов: первый - химический состав и микроструктура металла или сплава; второй - химический состав окружающей среды и процентное со­держание в ней агрессивных веществ (кислорода, кислот, щелочей); третий - температура окружающей среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозия может быть химической и электрохимической.

Поверхностное разрушение металла под действием газов при высо­кой температуре или органических жидкостей (спирта, бензина, нефти, ма­зута и т.п.) называют химической коррозией. Примером химической кор­розии является процесс окисления при высоких температурах металличе­ской арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин.

Электрохимическая коррозия металлических изделий происходит в различных водных растворах, проводящих электрический ток. Это наи­более распространенный вид коррозии. Она наблюдается в атмосферных условиях, на море, в земле, грунтовых водах, в растворах различных ки­слот и солей. Значительная часть строительных металлических конструк­ций и изделий (каркасы и крыши зданий, фермы мостов, арматура в желе­зобетоне) подвержена электрохимической коррозии. Сущность процесса электрохимической коррозии заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, при контакте с электролитом переходят в раствор в форме ионов, вызывая разрушение металла.

Существует несколько видов коррозионных разрушений: равно­мерное, протекающее по всей поверхности с одинаковой скоростью; не­равномерное - сплошное, скорость которого на отдельных участках зави­сит от структуры сплава и наличия дефектов на поверхности изделий; ме­стное или локальное, наблюдаемое на отдельных участках поверхности металла (сплава).

Одним из способов предотвращения коррозии является ликвидация вызывающих ее условий: неоднородность строения, наличие дефектов на поверхности изделий, неравномерность освещенности и теплового нагрева. Кроме того, для борьбы с коррозией применяют специальные методы за­щиты: введение в состав легирующих добавок, электрохимическая защита (анодная или катодная), обработка коррозионной среды и защитные по­крытия. Защитные действия легирующих добавок - Си, А1, Т1, V, Сг, Ni, Со и др., которые вводят для изменения структуры и свойств металлов, обусловлены или образованием на поверхности изделий коррозионностой- ких оксидных пленок, или созданием сплавов, обладающих высокой стой­костью к агрессивным средам.

Для надежной и долговечной защиты металлических конструкций, стальных закладных деталей, используемых при производстве сборного железобетона, все чаще применяют металлические покрытия, которые наносят гальваническим и горячим способами, металлизацией, плаки­рованием. При гальваническом способе путем электролитического оса­ждения из раствора солей создается тонкий защитный слой какого-либо металла на поверхности изделия. В качестве примера можно привести оцинкование закладных деталей для железобетонных конструкций. При горячем способе изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец). Металлизация является распространен­ным способом защиты в строительстве. Она состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла (цинк, алюминий) на поверхность защищаемого от коррозии металлического из­делия или конструкции. Еще одним вариантом защиты металлических по­крытий от коррозии является плакирование.

Плакирование - термомеханический метод получения двух- и мно­гослойных металлов (биметаллов), прочно соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Металлургическими заводами организо­вано производство листа, проволоки, труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием.

Защиту от коррозии несущих и ограждающих металлоконструкций в условиях строительно-монтажной площадки производят лакокрасочными составами на основе битумов, полимеров и других материалов. Это на­правление является приоритетным в настоящее время, так как при наи­меньших энергозатратах можно получить надежное долговечное покрытие.

К применяемым составам относятся цинкосодержащие, термореактивные краски на основе высокомолекулярных смол (эпоксидных, полиэфирных). Последние наносят на поверхность металлических изделий и конструкций в электрическом поле при помощи пистолета-распылителя с расположен­ным внутри источником высокого напряжения. Их преимущество заклю­чается в отсутствии токсичных растворителей, возможности применения безотходной технологии нанесения, отсутствии грунтового слоя и высоком качестве оплавленного, плотного покрытия, обладающего повышенной ударной прочностью, коррозионной стойкостью, адгезией к защищаемой поверхности. В зависимости от назначения оно может быть тонкослойным и фактурным, толщиной от менее 1 мкм до 20 мкм и более. Оптимальный вариант защиты выбирают в зависимости от материала конструкции, сте­пени агрессивного воздействия на него и технико-экономической целесо­образности. При необходимости обеспечения особенно надежной и долго­вечной защиты стальных конструкций применяют комбинированные по­крытия, например, металлические и лакокрасочные.

Снизить разрушающее действие коррозионной среды на металлы и сплавы можно также путем введения в ее состав специальных добавок - ингибиторов, замедляющих процесс коррозии.

К разрушающим факторам относится также действие на металли­ческие изделия и конструкции огня. Под действием открытого пламени и высокой температуры металлы размягчаются, деформируются и растрес­киваются.

Незащищенные стальные конструкции в зависимости от толщины элементов, сечения и действующих напряжений имеют предел огнестойко­сти 0,1 - 0,44 часа. При действии огня несущая способность металлических конструкций снижается вследствие уменьшения при нагревании прочности и упругости металла, а также за счет появления пластических, температур­ных деформаций. Металлы являются несгораемыми материалами, но обла­дают высокой теплопроводностью, поэтому их огнезащита заключается в создании на поверхности металлических элементов конструкций тепло­изолирующих экранов, обеспечивающих высокую сопротивляемость дей­ствию огня и высоких температур. Традиционными средствами огнеза­щиты металлических конструкций являются тяжелые и легкие бетоны, кирпич, цементно-песчаные штукатурки. Эти материалы могут создать практически любой предел огнестойкости конструкций. Так для обеспече­ния предела огнестойкости стальной конструкции, равного 2 часам, необ­ходим слой тяжелого бетона или гипса толщиной 60 мм, штукатурки - 50 - 60 мм, кирпича - 65 мм.

В последние годы все большее применение находят теплоизоляци­онные штукатурки и огнезащитные покрытия на основе глины, жидко­го стекла, гипса с использованием в качестве огнестойких заполнителей и наполнителей вспученного перлита, вермикулита, асбеста и минерального каолинового волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свой­ствами. Составы наносят на поверхность металлоконструкций пистолетом- распылителем. В зависимости от требуемой огнезащиты (45 - 150 мин) и толщины металла в конструкции толщина защитного слоя составляет от 8 до 40 мм.

Одним из перспективных средств огнезащиты являются вспучи­вающиеся краски, состоящие, например, из растворителя, акрилового по­лимера и пенообразующего антипирена, которые наносят на поверхность металлоконструкций тонким слоем (1 - 1,2 мм). При температуре около 170 °С краска вспучивается, образуя пористый термоизоляционный слой, толщина которого составляет несколько сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности вспененная масса предотвращает быстрый нагрев ме­талла, увеличивая огнестойкость до 1 часа. Кроме того, для огнезащиты металлических конструкций используют плитные и листовые теплоизо­ляционные материалы в виде асбестоцементных и асбестогипсовых об­лицовочных плит, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов.

Как показала практика эксплуатации, причиной разрушения метал­лических конструкций может быть также накопление на их поверхности продуктов жизнедеятельности микроорганизмов: органических кислот, сульфидов, сероводорода, аммиака - биологическая коррозия. Для за­щиты металлоконструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе каменноугольной, эпоксидной, поливинил- хлоридной смол с введением в состав эффективных биоцидных добавок.