Металлы и сплавы в строительстве
Обновлено: 07.07.2024
Применение цветных металлов и сплавов в строительстве
В строительной индустрии сыздавна широко применяются металлы, но в основном речь идет о черных металлах, которые используются в железобетонных и металлических конструкциях.
Черные металлы по сравнению с цветными имеют гораздо более низкую стоимость, а учитывая масштабы, в которых стройиндустрия потребляет металл, стоимость зданий с конструкциями из цветного металла была бы космической. Но все же есть определенные сферы, в которых применение цветных металлов экономически целесообразно:
- алюминий является самым распространенным из цветных металлов, мы можем встретить лёгкие алюминиевые конструкции у небольших складов, производственных помещений. Он также используется при изготовлении рам окон и дверей, кровельных покрытий;
- свинец может применяться для герметизации (зачеканки) швов в строительных конструкциях, особенно в подземных (метро);
- медь благодаря своему благородному оттенку часто используют в отделке, в виде панелей. Также медь может быть использована на кровле, она легко гнется и может принимать даже сложные формы, к примеру купола. Медные трубы отличаются особой надежностью и применяются в водоснабжении;
- цинк используется в качестве покрытия для черных металлов.
В чистом виде цветные металл используются редко, в основном применяют сплавы, которые обладают совокупностью положительных качеств каждого из материалов. Из алюминиевых сплавов возводят перекрытия для большепролетных зданий. Сплав алюминия с кремнием, который называется силумин применяется для отливки изделий, этот сплав обладает высокими литейными характеристиками, твёрдостью и прочностью. Для прокатных изделий используют дюралюмины.
Дюралюмин – это сплав алюминия, меди, кремния, марганца и магния, его модуль упругости в три раза меньше, чем у стали.
Рисунок 1. Цветные металлы в строительстве. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Готовые работы на аналогичную тему
Сфера применения каждого из материалов зависит от его достоинств и ключевых характеристик.
Достоинства цветных материалов и сплавов
Цветные металлы обладают высоко эстетическими свойствами, и они часто используются в интерьерах, холодный блеск металла добавляет особую атмосферу.
Также цветные сплавы обладают высокой пластичностью при небольшой плотности, они устойчивы к коррозии и долговечны, как любой металл.
Рисунок 2. Пример использования крана из латуни в интерьере. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рассмотрим достоинства каждого из материалов:
- алюминий очень легкий материал, это свойство позволяет уменьшить нагрузку на фундаменты здания, а следовательно, уменьшить их стоимость. Также этот материал устойчив к химически агрессивным средам и может применяться при возведении зданий, где располагается химическое производство;
- латунь и бронза обладают красивым цветом «под старину» и устойчивы к коррозии, поэтому часто применяются при изготовлении санитарно-технических приборов и интерьерных элементов;
- титан обладает небольшой плотностью и высокой прочностью, высокой теплостойкостью, это позволяет создавать из него легкие, но прочные конструкции, которые могут эксплуатироваться при высоких температурах.
Цветные металлы классифицируются на легкие и тяжелые. К легким относятся магний, алюминий, титан. А к тяжелым свинец, олово, цинк, никель, медь. Производство легких металлов менее трудозатратно. Сегодня работы по добыче железной руды организовывают прямо на поверхности земли, если для выемки достаточно экскаваторов. При добыче руды из скал проводят взрывные работы, а для подземных работ организовывают шахты. Современное оборудование позволяет скорректировать и выбрать наиболее эффективный план ведения работ, проектируются все работы по добыче руды.
Черные металлы используются в строительстве в больших объемах, с каждым годом растет количество построенных квадратных метров, а следовательно, растет и спрос на надежные материалы, из которых будут изготовлены элементы и конструкции будущего здания или сооружения. Цветные металлы используются в строительной отрасли, но их применение дозированно, сплавы из цветных металлов имеют больше преимуществ, поскольку сочетают в себе достоинства каждого из материалов, которые входят в их состав, но их стоимость достаточно высока и пока не может составить серьезную конкуренцию. Цветные металлы часто применяют в интерьерах, в данном случае высокая стоимость подчеркивает статус владельца и его вкус.
Сплавы, применяемые в строительстве
Чугун содержит около 93% железа, от 2,14 до 5% углерода и небольшие примеси кремния (0,5 - 4%), марганца (1 - 3%), фосфора (0,02 -2,5%) и серы (0,005 - 0,08%).
В зависимости от условий охлаждения при получении, различают два вида чугуна: белый и серый. При быстром охлаждении образуется белый чугун, в котором углерод содержится в виде карбида железа - цементита Fе3С. Он обладает высокой твердостью, но хрупок, поэтому в основном его перерабатывают в сталь, и называют передельным. При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется в виде графита, образующийся при этом чугун имеет серый цвет, потому называется серым чугуном.
Чугун используют в основном для получения стали, на это расходуется примерно 80 - 85% всего чугуна. В то же время чугун - наиболее распространенный литейный сплав.
Сталь является основой промышленного производства и строительства. Сталь по сравнению с чугуном имеет лучшие механические свойства. По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Содержание углерода (С) в составе стали меньше 2,14%.
В углеродистых сталях кроме углерода обычно содержится до 0,7% марганца (Мп), 0,4% кремния (Si), 0,04% серы (S) и 0,035% фосфора (Р). Высокоуглеродистые стали содержат более 0,6% углерода (С); среднеуг-леродистые 0,25 - 0,6% С и низкоуглеродистые - менее 0,25% С.
Строительные сталисодержат до 0,3% углерода (С), машиностроительные 0,025 - 0,5% >, пружинные 0,5 - 0,8% > , инструментальные 0,7 -1,3% углерода. С увеличением содержания углерода повышаются твёрдость, прочность, улучшается обработка резанием, но снижается пластичность стали и одновременно ухудшается свариваемость.
Сера и фосфор являются вредными примесями. Сера ухудшает пластичность и вязкость, придает стали хрупкость при высоких температурах. Чем меньше содержание серы в стали, тем она качественнее. Фосфор также ухудшает пластичность и вязкость стали и вызывает хладноломкость, то есть склонность к образованию трещин при температурах ниже 20°.
Марганец нейтрализует вредное влияние серы. Он растворяется в кристаллитах железа (феррите)и цементите (Fe3C)и повышает прочность стали. Содержание кремния также повышает прочность стали.
Для изготовления строительной арматуры, металлоконструкций для мостов обычно применяют низкоуглеродистые стали. Листовую низкоуглеродистую сталь используют для изготовления резервуаров, трубопроводов и других изделий. Она хорошо сваривается, имеет высокую ударную вязкость, малочувствительна к концентрации напряжений.
Легированные стали подразделяются на низколегированные с общим содержанием легирующих добавок до 2,5%, среднелегированные - от 2,5 до 10% и высоколегированные - выше 10%. В качестве легирующих добавок чаще всего применяют Ni, Сг, Mn, Si, W, Mo, Ti, V, Со. Сталь может содержать одновременно несколько легирующих металлов.
Низколегированные строительные стали обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью. Низколегированные стали широко применяют в строительстве для изготовления различных сварных и клёпаных конструкций, для армирования железобетонных изделий.
Из цветных металлов наиболее широкое применение в строительстве находят сплавы на основе алюминия и меди.
Алюминий (Al) - лёгкий (плотность 2,7 г/см 3 ) серебристо-белый металл с температурой плавления 657°. Алюминий на воздухе моментально покрывается очень тонкой и прочной оксидной пленкой А12О3, защищающей металл от дальнейшего окисления и действия воды. Вода не действует на алюминий даже при повышенной температуре. Поэтому он устойчив к атмосферной коррозии. Однако алюминий разрушается и щелочами, и кислотами. По объему производства алюминий занимает второе место среди металлов, после железа. В строительстве и машиностроении используется около половины получаемого алюминия.
В чистом виде алюминий применяют для изготовления фольги, проволоки, порошка. Алюминиевую фольгу (альфоль) используют в качестве эффективного утеплителя (для отражения тепловых лучей) или декоративного материала. Проволоку используют для изготовления электрических проводов, алюминиевый порошок - в качестве наполнителя в красках или газообразователя при изготовлении ячеистых бетонов. Чистый алюминий из-за невысокой прочности в качестве конструкционного материала в строительстве практически не используют. В этих целях обычно применяют сплавы алюминия.
Алюминиевые сплавы сохраняют легкость (плотность до 3,0 г/см 3 ), коррозионную стойкость и пластичность при низких температурах. При этом прочность некоторых марок алюминиевых сплавов сопоставима с прочностью сталей. Сплавы легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой.
Недостатками алюминиевых сплавов являются сравнительно низкий модуль упругости, высокий коэффициент линейного расширения и относительная сложность соединения элементов конструкций.
В зависимости от состава алюминиевые сплавы делят на: Al - Si (силумины); А1 - Mg (магналии); А1 - Сu - Mg (дюралюмины); Al - Mg - Si (авиали) и более сложные (многокомпонентные) с улучшенными свойствами: высокопрочные (А1 - Zn - Mg - Сu, Al - Сu – Li или Al - Сu - Mg - Li), жаропрочные (Al - Сu - Мn или Al - Сu - Mg - Fe - Ni), коррозионностойкие (для работы в морской воде и агрессивных средах). Для производства таких сплавов в качестве легирующих металлов используют хром, цирконий, цинк, никель, литий и др.
Для изготовления строительных изделий из алюминиевых сплавов наиболее широко применяются сплавы с магнием, медью, кремнием, марганцем.
По способу обработки алюминиевые сплавы делят на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы используют для получения изделий методами литья в различные формы. Наиболее распространенными литейными алюминиевыми ставами являются сплавы с кремнием или магнием - силумины или магналии.
В частности, литейный сплав с содержанием магния 9,5 - 11,5%, применяют в строительных конструкциях, успешно заменяя аналогичные стальные изделия.
Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением: прессованию, штамповке, ковке, прокатке. Так получают листы, профили, проволоку, прутки и т.д.
Алюминиевые деформируемые сплавы подразделяют на сплавы, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.
Высокопрочные не упрочняемые термически сплавы Al - Mg - Mn могут содержать 2 - 7% магния и 1,0 - 1,6% марганца. Их упрочняют деформацией в холодном состоянии.
В строительстве не упрочняемые термически алюминиевые сплавы применяют как для изготовления несущих конструкций (балки, арки, фермы, рамы), так и для малонагруженных и ненагруженных элементов (дверные и оконные переплеты, стеновые панели, арматурные детали).
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, приобретают высокие механические свойства и коррозионную стойкость только в результате термической обработки.
Наиболее широко распространенными из них являются дюралюмины А1 - Сu - Mg (содержание меди: 2,2 - 4,0%; магния 0,4 - 2,4%), содержащие также небольшие количества марганца (0,3 - 0,9%). В результате термообработки прочность дюралюмина повышается до прочности среднеуглеродистых сталей. Дюралюмин широко применяется в строительстве, в авиационной и ракетной промышленности.
Медь (Си) - мягкий, пластичный, ковкий металл красно-розового цвета с характерным металлическим блеском, плотностью 8,92 г/см 3 , температурой плавления 1083°.
Чистую медь в качестве конструкционного материала применяют редко вследствие недостаточной прочности. Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, томпаки.
Сплавы меди с цинком называют латунями, или томпаками. Томпаки содержат до 10% цинка, латуни - более 20% цинка. Латуни по сравнению с чистой медью, являются более прочными и твердыми, более устойчивыми к коррозии. Максимальной прочностью обладают латуни, содержащие 42 – 45% цинка, наибольшей пластичностью обладают латуни с содержанием цинка 30 – 32 %.
Дополнительное легирование латуни с использованием алюминия, марганца, олова, никеля или кремния позволяет получить специальные марки латуни, не уступающие по прочности среднеуглеродистой стали.
Латуни делят на деформируемые и литейные. Применяют латуни для изготовления арматуры, труб, проволоки, втулок, подшипников; фольги.
Бронзы - сплавы меди с различными металлами (кроме цинка и никеля), чаще всего - с оловом, бериллием, алюминием. Бронзы превосходят чистую медь по прочности и коррозионной стойкости. Для многих бронз характерны высокие прочность, износостойкость, упругость, ударная вязкость, антифрикционные свойства.
Оловянная бронза - это древнейший из сплавов, полученных людьми. Однако специальные (не содержащие олова) бронзы имеют лучшие механические свойства, дешевле и находят широкое применение. Так, алюминиевые бронзы (содержат 4-11,5% А1) обладают повышенной коррозионной стойкостью; бериллиевые бронзы (содержат от 1,6 до 2,2% Be) имеют высокую прочность и стойкость к коррозии, хорошую пластичность и антифрикционные свойства.
Различные бронзы широко используют для изготовления сантехнической арматуры, пружин, труб, различных изделий бытового назначения, колоколов, монет и т.д..
Свойства металлов и сплавов, их применение в строительстве
Металлыпредставляют собой кристаллические неорганические материалы, обладающие специфическим металлическим блеском, определенной температурой плавления, электро- и теплопроводностью, свариваемостью и определенной пластичностью. Последнее технологическое свойство, проявляющееся при действии механической нагрузки, широко используют с целью получения изделий определенной формы и размеров. Металлические материалы строительного назначения производят методом проката (листы, профили, балки), экструзией (стержни, проволоку), прессованием (закладные детали).
Контроль основных показателейметаллов и сплавов проводят по пределу прочности на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, удар, твердость в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации в статическом, динамическом или повторно-переменном режимах при нормальной, повышенной и отрицательной температурах. При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделяют исследованию процессов их разрушения при действии агрессивных сред, микроорганизмов, высоких температур и огня.
Интенсивность коррозионного разрушения зависит от химического состава и микроструктуры металла (сплава), концентрации и температуры агрессивной среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозию подразделяют на химическую, под действием газов, высокой температуры и органических жидкостей, электрохимическую при наличии водных растворов, биологическую под действием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Разрушение может проходить как равномерно по всей поверхности, так и неравномерно, которое наиболее опасно. Предохраняют от коррозии за счет повышения однородности структуры и состава металлов (сплавов), введения легирующих добавок, исключения дефектов поверхности и применения специальных методов защиты. К широко используемым относятся: нанесение коррозионностойких металлических покрытий металлизацией, плакированием, гальваническим или горячим способами, применение термохимической обработки изделий и защита лакокрасочными составами.
По отношению к открытому пламени металлы являются несгораемыми материалами, однако резкое повышение температуры и их высокая теплопроводность вызывают размягчение, деформации, растрескивание металлов, что приводит к потере несущей способности. Защитные меры основаны на создании поверхностного теплозащитного слоя из бетона, кирпича, цементно-песчаных или глиняных огнезащитных штукатурок, вспучивающихся красочных составов, гипсосодержащих листов и плит.
Для защиты металлоизделий и конструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе полимерных смол с введением биоцидных добавок.
В строительной практике основной объем составляют железоуглеродистые сплавы – черные металлы, на втором месте цветные сплавы алюминия и значительно меньше соединения меди, цинка и свинца. Железосодержащие сплавы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугун (от 2,14 до 6,67% С) и сталь (до 2% С). Повышенное содержание углерода обеспечивает высокую прочность на сжатие и хрупкость. Чем меньше его количество, тем пластичнее сплав. Поэтому чугун используют в конструкциях, работающих на сжимающие нагрузки (тюбинги в метро, башмаки под колонны), а сталь – на изгибающие и растягивающие (балки, арматура, профильные листы и т.д.).
Чугунполучают в доменных печах из железосодержащих руд (красного, бурого и магнитного железняка). В состав чугунов, кроме железа и углерода входят примеси кремния, марганца, фосфора и специальные легирующие добавки (никель, магний, алюминий, кремний), которые придают сплаву высокие механические свойства, обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава, микроструктуры, выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.
Белый – передельный чугун, составляющий большую часть выпускаемой металлургической продукции, идет на переработку в сталь. Серый литейный чугун применяют для изготовления фасонного литья строительного профиля (радиаторы, сантехника и архитектурно-художественные изделия).
С целью значительного повышения пластичности железоуглеродистых сплавов чугун в сочетании с рудой, металлоломом (скрапом) переплавляют в сталь. В процессе плавки, которая может проходить в конвертерах, мартеновских или электропечах из чугуна, путем окисления и перевода в шлак, удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Полученную сталь классифицируют по способу производства: мартеновская, конвертерная, электросталь, по химическому составу: углеродистая, легированная, по назначению: конструкционная (строительная, машиностроительная), инструментальная и специального назначения. Углеродистую сталь обыкновенного качества выпускают для строительных целей. Качественную конструкционную – используют в машиностроении и для ответственных строительных конструкций, высококачественную инструментальную – для изготовления режущих инструментов, штампов. В зависимости от гарантируемых механических и технологических характеристик углеродистую сталь обыкновенного качества делят на две группы
(А и Б) и одну подгруппу (В). Для изготовления изделий строительного назначения в основном применяют сталь группы А, которую выпускают следующих марок: Ст О, Ст 1, …, Ст 6. По мере увеличения цифры повышается прочность и снижается пластичность сплава. Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода на малоуглеродистые (до 0,25%), которые хорошо свариваются, пластичны и надежно работают в сварных и клепанных строительных конструкциях, среднеуглеродистые (до 0,55%) – хуже свариваются, более прочные и хрупкие, их применяют для изготовления деталей, работающих при больших нагрузках, высокоуглеродистые (до 0,80) – для изготовления пружин, рессор, зубчатых колес.
С целью повышения коррозионной стойкости, снижения хладоломкости, замедления старения в сталь при получении вводят легирующие добавки (Cr, Mn, Ni, Co, Mo, Si и т.д.). Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению. В зависимости от суммарного содержания добавок выпускают низколегированную сталь (до 2,5%), среднелегированную (от 2,5 до 10%) и высоколегированную (более 10%).
Для производства элементов несущих стальных конструкций и профилей используют низколегированные конструкционные стали, для режущего и измерительного инструмента – инструментальные, для работы
в условиях действия высоких температур, агрессивной среды и т.д. – легированные стали с особыми свойствами.
Преимущества легированных сталей проявляются в большей мере после дополнительной термообработки, общий режим которой включает нагрев изделий до температуры, при которой происходит перекристаллизация сплава в твердом состоянии – вторичная кристаллизация – с сохранением вещественного состава – аллотропия. В зависимости от назначения термообработки (изменение свойств, снятие напряжений) целенаправленно подбирают максимальную температуру нагрева, скорость ее подъема и охлаждения. На практике применяют следующие виды термической обработки металлических изделий:отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, термомеханическую и термохимическую.
Отжигиспользуют для повышения однородности стали, снятия внутренних напряжений. Нормализация позволяет уменьшить напряжения, имеющие место при получении изделий, и повысить пластичность. Применяя закалкув сочетании с отпуском, увеличивают прочность, твердость, с сохранением заданной вязкости. Метод термомеханической обработки(ТМО) предусматривает нагрев поверхностного слоя изделия на заданную глубину, обкатку его роликами, для ориентированного расположения кристаллов и повышения прочности поверхностного слоя, закалку и отпуск. Этот вид обработки позволяет сочетать высокую прочность с пластичностью. Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, прочности, коррозионной стойкости, жаростойкости, износоустойчивости. Используемый режим предусматривает насыщение поверхностного слоя изделия в нагретом состоянии углеродом (цементация), азотом (азотирование) или параллельно азотом и углеродом (цианирование).
Для снятия внутренних напряжений и придания специальных свойств термообработке подвергают и изделия из цветных металлов. Наиболее широкое применение получили сплавы алюминия с магнием, медью, кремнием, благодаря их низкой плотности (2700 кг/м 3 ), высокой электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости, пластичности, хорошей свариваемости, надежности работы при отрицательных температурах, отсутствия магнитных свойств и искрообразования при ударе. Эти материалы используют для получения прессованных холодных и утепленных профилей, тонколистовых изделий для производства сварных и клепанных конструкций (фермы, колонны, сборные каркасы зданий, кровельные и стеновые многослойные панели), подвесных потолков, окон, дверей.
Из сплавов меди в строительстве применяют латунь в виде листов, прутьев, проволоки, труб и бронзу, в качестве архитектурно-художественных изделий и пигмента в красочные составы.
Назначение цинка в строительстве – защита стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, несущих конструкций) от коррозии, свинца, стойкого к коррозии и радиационному излучению, – изготовление специальных труб и защитных экранов.
Применение металлов и сплавов в строительстве представлено
в таблице 3.4.
Основные виды и особенности металлов и сплавов, применяемых в строительстве. Структура металлов и сплавов, их основные свойства
Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.
Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).
Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.
Виды сплавов
По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошкипростых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.
По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.
В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава.
В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.
Свойства сплавов
Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.
Сплавы, используемые в промышленности
Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.
Конструкционные сплавы:
Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):
Для заливки подшипников:
Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:
Для изготовления режущих инструментов:
В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.
Мета?ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
- 6 элементов в группе щелочных металлов,
- 6 в группе щёлочноземельных металлов,
- 38 в группе переходных металлов,
- 11 в группе лёгких металлов,
- 7 в группе полуметаллов,
- 14 в группе лантаноиды + лантан,
- 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний, вне определённых групп бериллий и магний.
Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия.
Свойства металлов
Характерные свойства металлов
· Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
· Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны)
· Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
· Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
· В реакциях чаще всего являются восстановителями
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:
| Твёрдость | Металл |
| 0.2 | Цезий |
| 0.3 | Рубидий |
| 0.4 | Калий |
| 0.5 | Натрий |
| 0.6 | Литий |
| 1.2 | Индий |
| 1.2 | Таллий |
| 1.25 | Барий |
| 1.5 | Стронций |
| 1.5 | Галлий |
| 1.5 | Олово |
| 1.5 | Свинец |
| 1.5 | Ртуть(тв.) |
| 1.75 | Кальций |
| 2.0 | Кадмий |
| 2.25 | Висмут |
| 2.5 | Магний |
| 2.5 | Цинк |
| 2.5 | Лантан |
| 2.5 | Серебро |
| 2.5 | Золото |
| 2.59 | Иттрий |
| 2.75 | Алюминий |
| 3.0 | Медь |
| 3.0 | Сурьма |
| 3.0 | Торий |
| 3.17 | Скандий |
| 3.5 | Платина |
| 3.75 | Кобальт |
| 3.75 | Палладий |
| 3.75 | Цирконий |
| 4.0 | Железо |
| 4.0 | Никель |
| 4.0 | Гафний |
| 4.0 | Марганец |
| 4.5 | Ванадий |
| 4.5 | Молибден |
| 4.5 | Родий |
| 4.5 | Титан |
| 4.75 | Ниобий |
| 5.0 | Иридий |
| 5.0 | Рутений |
| 5.0 | Тантал |
| 5.0 | Технеций |
| 5.0 | Хром |
| 5.5 | Бериллий |
| 5.5 | Осмий |
| 5.5 | Рений |
| 6.0 | Вольфрам |
| 6.0 | β-Уран |
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связимежду ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020
Актуальность темы. Металлы (от латинского metallum-шахта, рудник) – это группа элементов, которая обладает характерными металлическими свойствами, такими как: высокое тепло и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск [1, с.30]. Они занимают существенное место среди современных материалов. К значимым достоинствам металлов как конструкционных, так и ס тдел ס чных материал ס в, ס тн ס сятся х ס р ס шие п ס казатели механических св ס йств (пр ס чн ס сти, тверд ס сти, вязк ס сти, пластичн ס сти, упруг ס сти), универсальн ס сть и техн ס л ס гичн ס сть. Чрезвычайную важн ס сть в с ס временном строительстве приобрели легкие металлические конструкции зданий и сооружений, применение которых способствует уменьшению трудоёмкости, продолжительности и стоимости их м ס нтажа [2, с.129].
Классификация металлов. Обычн ס в стр ס ительстве применяют не чистые металлы, а сплавы. Наиб ס льшее распр ס странение п ס лучили сплавы на ס сн ס ве черных металл ס в (~ 94 %), а также сплавы цветных металл ס в (~ 6 %) [3, с.288]. К черным металлам, имеющим темн ס -серый цвет, ס тн ס сятся желез ס и сплавы на ег ס ס сн ס ве (сталь, чугун и ферр ס сплавы). Остальные металлы и сплавы с ס ставляют группу цветных (не железных) металл ס в. Чистые металлы применяются редк ס в любых пр ס мышленных ס бластях. Для изменения св ס йств металл ס в их плавят с другими элементами. Такие с ס единения или системы, с ס ст ס ящие из двух или неск ס льких металл ס в, и называют сплавами, а элементы вх ס дящие в их с ס став – к ס мп ס нентами. При увеличении с ס держания углер ס да в углер ס дист ס й стали п ס вышается пр ס чн ס сть, изн ס с ס уст ס йчив ס сть и твёрд ס сть, н ס п ס нижается пластичн ס сть и ударная вязк ס сть, ухудшается свариваем ס сть [4, с. 324]. Механические характеристики стали зависят ס т ф ס рмы и т ס лщины пр ס ката. Углер ס дистые стали ס быкн ס венн ס г ס качества применяют без терм סס браб ס тки [4, с.318]. Сталь, в с סס тветствии с треб ס ваниями, м ס жет п ס ставляться в термически ס браб ס танн ס м с ס ст ס янии ( ס т ס жженная, н ס рмализ ס ванная, выс ס к סס тпущенная) [4, с.327]. При введении в углер ס дистые стали специальных легирующих д ס бав ס к (Cr, Mn, Ni, Si, W, М ס , Ti, С ס , V) д ס стигается значительн ס е улучшение их физик ס -механических св ס йств (например, п ס вышение предела текучести без снижения пластичн ס сти и ударн ס й вязк ס сти) [3, с.293]. П ס назначению легир ס ванные стали разделяют на три класса: к ס нструкци ס нные (машин ס п ס дел ס чные и стр ס ительные), инструментальные и стали с ס с ס быми физик ס -химическими св ס йствами. Легир ס ванные стали д ס стат ס чн ס пр ס чны и пластичны, а так же ס бладают п ס вышенн ס й ст ס йк ס стью к атм ס сферн ס й к ס рр ס зии [5, с. 163].
Строение металлов. Металлы – эт ס кристаллические тела с зак ס н ס мерным расп ס л ס жением ат ס м ס в в узлах пр ס странственн ס й решетки, к ס т ס рые с ס ст ס ят из ряда кристаллических пл ס ск ס стей, расп ס л ס женных на расст ס янии неск ס льких нан ס метр ס в друг ס т друга. Ат ס мы металл ס в характеризуются малым к ס личеств ס м электр ס н ס в (1, 2, реже 3) на наружн ס й ס б ס л ס чке, легк ס ס тдают их, чт ס п ס дтверждается выс ס к ס й электр ס пр ס в ס дн ס стью [6, с.298]. Черные металлы имеют пр ס стые кубические ячейки решет ס к двух вид ס в: а) центрир ס ванныйили ס бъемн ס -центрир ס ванныйкуб (9 ат ס м ס в в ячейке), ס бъем шар ס в занимает 68 %; б) гранецентрир ס ванный или куб с центрир ס ванными гранями (14 ат ס м ס в), ס бъем шар ס в занимает 74 %. Нек ס т ס рые цветные металлы и их сплавы имеют гексаг ס нальную решетку [2, с.169]. Желез ס , ס л ס в ס , титан, а так же другие металлы ס бладают св ס йствами алл ס тр ס пии, чт ס ס значает сп ס с ס бн ס сть ס дн ס г ס и т ס г ס же химическ ס г ס элемента при разн ס й температуре иметь различную кристаллическую структуру. Алл ס тр ס пические превращения металл ס в с ס пр ס в ס ждаются выделением или п ס гл ס щением тепл ס ты [7, с.325]. Все металлы нах ס дятся в твёрд ס м с ס ст ס янии д ס ס пределённ ס й температуры. К ס гда металл нагревают, т ס амплитуда к ס лебаний ат ס м ס в д ס стигает нек ס т ס р ס й критическ ס й величины. Пр ס исх ס дит разрушение кристаллическ ס й решетки и перех ס д металл ס в из тверд ס г ס с ס ст ס яния в жидк ס е [3, с.324]. В усл ס виях несв ס б ס дн ס й кристаллизации ס бразующиеся кристаллы п ס лучают неправильную ф ס рму и ס чертания, их называют кристаллитами или зернами. Величина зерен ס казывает существенн ס е влияние на механические св ס йства металл ס в: чем меньше зёрна, тем пр ס чнее металл. В цел ס м металлы и сплавы м ס жн ס считать усл ס вн ס «из ס тр ס пными телами» [7, с.326].
Свойства металлов. Химические св ס йства.В с סס тветствии с мест ס м, занимаемым в пери ס дическ ס й системе элемент ס в, различают металлы главных и п ס б ס чных п ס дгрупп. Металлы главных п ס дгрупп с ס ставляют п ס дгруппу «а». Ат ס мы металл ס в п ס б ס чных п ס дгрупп (п ס дгрупп «б») называются перех ס дными. В п ס дгруппу «а» вх ס дят 22 металла из пери ס дическ ס й системы. В п ס дгруппы «б» вх ס дят: 1) 33 перех ס дных металла d-п ס дгрупп; 2) 28 металл ס в f-п ס дгрупп (14 лантан ס ид ס в и 14 актин ס ид ס в). Электр ס нная структура ат ס м ס в нек ס т ס рых d-элемент ס в (1 и 6 группы п ס б ס чн ס й п ס дгруппы) имеет нек ס т ס рую ס с ס бенн ס сть в т ס м, чт ס ס дин из электр ס н ס в внешнег ס ур ס вня перех ס дит на d-п ס дур ס вень предп ס следнег ס ур ס вня, д ס страивая эт ס т п ס дур ס вень д ס уст ס йчив ס г ס с ס ст ס яния из 5 или 10 электр ס н ס в [8, с.89]. Если расп ס л ס жить металлы в п ס след ס вательн ס сти их электр ס дных п ס тенциал ס в, т ס п ס лучим так называемый ряд напряжений, или ряд активн ס стей. Рассм ס трение эт ס г ס ряда п ס казывает, чт ס п ס мере приближения к ег ס к ס нцу: ס т щел ס чных и щёл ס чн ס земельных металлам к Pt и Аu – пр ס исх ס дит уменьшение ס трицательн ס г ס значения п ס тенциал ס в. Металлы ס т Li п ס Na вытесняют Н2 из Н2О на х ס л ס де, а ס т Mg п ס Тl – при нагревании. Б ס льшинств ס металл ס в, ст ס ящих в ряду напряжений левее Н2, вытесняют ег ס из разбавленных кисл ס т (на х ס л ס де или при нагревании). Металлы, ст ס ящие правее Н2, раств ס ряются т ס льк ס в кисл ס тах-" ס кислителях"(к ס нцентрир ס ванная H2SO4 при нагревании или HNO3), a Pt и Аи – т ס льк ס в "царск ס й в ס дке" (Ir не раств ס рим и в ней) [7, с.283].
Металлы ס т Li п ס Na легк ס реагируют с О2 на х ס л ס де; п ס следующие члены ряда с ס единяются с О2 т ס льк ס при нагревании, a Ir, Pt, А u в прям ס е взаим ס действие с О2 не вступают. О пр ס чн ס сти с ס единений металл ס в с кисл ס р ס д ס м (и др. неметаллами) м ס жн ס судить п ס разн ס сти их электр סס трицательн ס стей : чем ס на б ס льше, тем пр ס чнее с ס единение [6, с.133].
Физические св ס йства.Б ס льш ס е к ס личеств ס металл ס в кристаллизуется в пр ס стых структурах - кубических и гексаг ס нальных, с סס тветствующих наиб ס лее пл ס тн ס й упак ס вке ат ס м ס в. Лишь неб ס льш ס е к ס личеств ס металл ס в имеет б ס лее сл ס жные типы кристаллических решёт ס к. Мн ס гие металлы в зависим ס сти ס т внешних усл ס вий (температуры, давления) м ס гут существ ס вать в виде двух или б ס лее кристаллических м ס дификаций [4, с.258]. Характерным св ס йств ס м металл ס в как пр ס в ס дник ס в электрическ ס г ס т ס ка является линейная зависим ס сть между пл ס тн ס стью т ס ка и напряжённ ס стью прил ס женн ס г ס электрическ ס г ס п ס ля. Н ס сителями т ס ка в металлах являются электр ס ны пр ס в ס дим ס сти, ס бладающие выс ס к ס й п ס движн ס стью. Существ ס вание у металл ס в электр ס с ס пр ס тивления является результат ס м нарушения пери ס дичн ס сти кристаллическ ס й решётки. Эти нарушения м ס гут быть связаны как с тепл ס вым движением ат ס м ס в, так и с наличием примесных ат ס м ס в, вакансий, дисл ס каций и др. дефект ס в в кристаллах. На тепл ס вых к ס лебаниях и дефектах пр ס исх ס дит рассеяние электр ס н ס в. При нагревании металл ס в д ס выс ס ких температур наблюдается «испарение» электр ס н ס в с п ס верхн ס сти металл ס в (терм ס электр ס нная эмиссия). В металлах наблюдаются явления ф ס т ס электр ס нн ס й эмиссии, вт ס ричн ס й электр ס нн ס й эмиссии и и ס нн ס -электр ס нн ס й эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах п ס явление электрическ ס г ס т ס ка или разн ס сти п ס тенциал ס в [6, с.311].
Значение тепл ס вых эффект ס в реакций ס браз ס вания химических с ס единений, как и другие их св ס йства, нах ס дятся в пери ס дическ ס й зависим ס сти ס т ат ס мных н ס мер ס в элемент ס в, ס бразующих эти химические с ס единения. Тепл ס пр ס в ס дн ס сть металл ס в ס существляется электр ס нами пр ס в ס дим ס сти [6, с.348].
Магнитные св ס йства. Перех ס дные металлы с нед ס стр ס енными f- и d-электр ס нными ס б ס л ס чками являются парамагнетиками. Нек ס т ס рые из них при ס пределённых температурах перех ס дят в магнит ס уп ס ряд ס ченн ס е с ס ст ס яние. Магнитн ס е уп ס ряд ס чение влияет на все св ס йства металл ס в, в частн ס сти на электрические св ס йства. Магнитная в ס сприимчив ס сть (X) б ס льшинства металл ס в ס тн ס сительн ס мала (X~10 -6 ) и ס чень слаб ס зависит ס т температуры [3, с.348].
Механические св ס йства. Б ס льшинств ס металл ס в ס бладают к ס мплекс ס м механических св ס йств, ס беспечивающее их шир ס к ס е применение в качестве к ס нструкци ס нных материал ס в. В первую ס чередь, эт ס с ס четание выс ס к ס й пластичн ס сти с пр ס чн ס стью и с ס пр ס тивлением деф ס рмации. Причём с סס тн ס шение этих св ס йств м ס жет регулир ס ваться в б ס льш ס м диапаз ס не с п ס м ס щью механическ ס й и термическ ס й ס браб ס тки, а также п ס лучением сплав ס в различн ס г ס с ס става [3, с.325].
Применение металлов в строительстве. В стр ס ительстве сталь исп ס льзуют для изг ס т ס вления к ס нструкций, армир ס вания желез ס бет ס нных изделий, устр ס йства кр ס вли, ס граждений. Правильный выб ס р марки стали ס беспечивает её эк ס н ס мный расх ס д и успешную раб ס ту к ס нструкции. Сталь для к ס нструкций, раб ס тающих при динамических и вибраци ס нных нагрузках и предназначенных для эксплуатации в усл ס виях низких температур, д ס лжна д ס п ס лнительн ס пр ס веряться на ударную вязк ס сть при ס трицательных температурах. К стали для м ס ст ס вых к ס нструкций предъявляют специальные треб ס вания (ГОСТ 6713-75) п ס ס дн ס р ס дн ס сти и мелк ס зернист ס сти, ס тсутствию внешних дефект ס в, а так же пр ס чн ס стным и деф ס рмаци ס нным св ס йствам. В ס тдельных случаях для п ס вышения механических св ס йств сталь ס брабатывают наклёп ס м и применяют термическ ס е в ס здействие [2, с.227].
Чугуны - желез ס углер ס дистые сплавы, с ס держащие б ס лее 2 % углер ס да. Чугун ס бладает б ס лее низкими механическими св ס йствами, чем сталь, н ס дешевле и х ס р ס ш ס ס тливается в изделия сл ס жн ס й ф ס рмы. Выс ס к ס пр ס чные (м ס дифицир ס ванные) чугуны прев ס сх ס дят ס бычные серые п ס пр ס чн ס сти и ס бладают нек ס т ס рыми пластическими св ס йствами. Их применяют для ס тлива ס тветственных деталей [4, с.234].
Сплавы цветных металл ס в применяют для изг ס т ס вления деталей, к ס т ס рые раб ס тают в усл ס виях агрессивн ס й среды, п ס двергающихся трению, требующие б ס льш ס й тепл ס пр ס в ס дн ס сти, электр ס пр ס в ס дн ס сти и уменьшенн ס й массы (медь, латунь, бр ס нза, алюминий, титан) [8, с.382]. Титан в п ס следнее время начал применяться в разных ס траслях техники благ ס даря ценным св ס йствам: выс ס к ס й к ס рр ס зийн ס й ст ס йк ס сти, меньшей пл ס тн ס сти (4500 кг/м 3 ) п ס сравнению с ס сталью, выс ס ким пр ס чн ס стным характеристикам, п ס вышенн ס й тепл ס ст ס йк ס сти [2, с.158].
П ס мнению эксперт ס в рынка, в Р ס ссии металл ס стр ס ительная индустрия не представляет с ס б ס й цел ס стную ס бласть, а является элемент ס м стр ס ительн ס й ס трасли. Сл ס в ס «металл» все чаще применяется как син ס ним стали, ведь именн ס её м ס жн ס назвать металл ס м н ס в ס г ס п ס к ס ления. Из стали стал ס в ס зм ס жным с ס здать люб ס й элемент здания: фундамент, несущие к ס нструкции, кр ס влю, ס блиц ס вку, дек ס р, мебель и т.д. В т ס же время в стр ס ительстве применяются цветные металлы и неметаллы. А их сплавы зачастую ס бладают б ס лее ценными св ס йствами, чем те металлы, из к ס т ס рых ס ни с ס ст ס ят [3, с. 247].
Спис ס к литературы:
1. Гранаткин К.А. Пластичность металлов и сплавов с особыми свойствами / Цветные металлы. – 2011. – №3. – С. 29-30..
2. Горчаков Г. И., Баженов Ю. М. Строительные материалы. – М.: Стройиздат, 2010.
3. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. – М.: Металлургия, 2010.
4. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 2006.
5. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справочник. – М.: Металлургия, 2009.
6. Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы. – М.: Изд-во Вита Пресс, 2008.
7. Солнцева Ю.П. Металловедение и технология металлов. – М.: Металлургия, 2010.
8. Бочвар А. А. Физика и химия обработки материалов / Национальная металлургия. – 2011. - №6. – С. 85-89.
Читайте также: