Строение металлов и их свойства
Металлы и металлические сплавы представляют собой кристаллические тела, состоящие из бесчисленного множества кристаллических образований, групп (в виде отдельных прочно связанных между собой зерен). Железо может быть в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов. Это явление называется аллотропией.Аллотропические превращения железа наблюдаются при изменении температуры. Железо из расплавленной массы кристаллизуется в форме решетки объемноцентриро-ванного куба; при охлаждении до температуры 1390 °C она перекристаллизовывается в решетку гранецентрированного куба, а при 898 °C снова образует решетку объемноцентрированного куба и a-модификации. Аллотропия железа имеет большое значение в процессах горячей механической и термической обработки чугуна и стали. Регулируя закалкой, отжигом и другими способами содержание этих модификаций в сталях, им придают необходимые механические свойства.
При затвердевании расплава металла вначале образуются мельчайшие кристаллы правильной формы, затем, по мере охлаждения, они увеличиваются в размерах и срастаются между собой в виде деформированных неправильной внешней формы кристаллов, называемых кристаллитами.
Физические свойства металлов и сплавовхарактеризуются цветом, плотностью, температурой плавления, теплопроводностью, коэффициентом температурного расширения.
Плотностьбольшинства металлов превышает 7000 кг/м 3. К легким металлам относятся металлы (алюминий, бериллий, магний) с плотностью менее 3000 кг/м 3. Чем меньше плотность металла, тем легче и эффективнее оказываются строительные конструкции из него. Именно по этой причине конструкции из сплавов на основе алюминия все шире применяются в строительстве.
Температуру плавленияметаллов важно знать для выбора режима горячей обработки металлов и получения изделий литьем. Температура плавления металла изменяется при добавке к нему других веществ. Большинство сплавов, например на основе железа, имеют температуру плавления ниже, чем входящие в их состав металлы. Однако некоторые сплавы цветных металлов, например, никеля и алюминия, имеют более высокую температуру плавления, чем чистый никель и алюминий. Изменение температуры плавления металла от содержания в нем других веществ характеризуется так называемой диаграммой состояния. Расширение металлов при нагревании характеризуется коэффициентом линейного и объемного расширения. Это свойство металла необходимо учитывать при проектировании металлических строительных конструкций, так как последние под действием изменяющейся температуры могут вызвать разрушение сооружения. Важно учитывать это свойство металла при сварке, так как в результате местного нагрева свариваемых деталей может произойти образование трещин. Способность металла удлиняться при нагревании эффективно используется при производстве предварительно напряженных железобетонных изделий способом электротермического натяжения арматуры.
Механические свойстваметаллов характеризуются их прочностью, вязкостью, усталостью, ползучестью и твердостью.
Прочность– это способность металла или сплава сопротивляться действию внешних сил. В зависимости от характера этих сил различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Характеризуются они соответствующим пределом прочности, т. е. условным напряжением, при котором испытуемый образец металла разрушается.
При испытании металлов на растяжениеопределяют предел текучести– напряжение, при котором растяжение образца происходит без увеличения растягивающей нагрузки. Этот показатель служит основным при расчете металлических конструкций.
На усталость, или выносливость, испытывают образцы из стали и цветных тяжелых и легких сплавов, детали из которых работают в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, сжимающих, крутящих и других нагрузок. На ползучесть, т. е. способность деформироваться под постоянной нагрузкой, испытывают металлы, непрерывно работающие под напряжением. В результате ползучести могут увеличиваться прогибы строительных конструкций, произойти потеря устойчивости. Особенно опасна ползучесть арматурной стали в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Как результат ее могут произойти потеря предварительного напряжения арматуры, образование трещин в бетоне и разрушение конструкции.
Твердостьметалла определяет противодействие его при вдавливании в него твердого стального шарика (метод Бринелля), алмазного корпуса или алмазной пирамиды.
Вязкостьразличают статическую и ударную (динамическую). Статическая вязкость характеризуется относительным удлинением (в % длины образца при разрыве) к его первоначальной длине, а ударная вязкость – количеством работы, необходимым для разрушения образца ударной нагрузкой.
Технологические свойствахарактеризуют способность металла подвергаться обработке. К ним относится: пластичность, позволяющая получать металлические изделия ковкой, прокаткой, волочением, обрабатываемость резанием, свариваемость, характеризуемая способностью металла давать прочные соединения путем их местного нагрева до пластичного или жидкого состояния.
