Основные древесные породы применяемые в строительстве

Механические свойства металлов характеризуются их прочностью, твердостью, ударной вязкостью, усталостью и ползучестью.

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.

Универсально испытание на растяжение, применяемое для всех металлов и сплавов. Специфическим, например, для серого чугуна, является испытание при сжатии и изгибе.

При испытании металлов при растяжении определяют 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. Твердость металла определяет противодействие его при вдавливании в него твердого стального шарика (метод Бринелля), алмазного корпуса или алмазной пирамиды.

Вязкость различают статическую и ударную (динамическую). Статическая вязкость характеризуется относительным удлинением (в процентах длины образца при разрыве) к его первоначальной длине, а ударная вязкость — количеством работы потребной для разрушения образца ударной нагрузкой.

Технологические свойства характеризуют способность металла подвергаться обработке. К ним относятся: 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.

Конструкционные нелегированные качественные стали (ГОСТ 1050-88) обозначают двузначным числом, указывающим на среднее содержание углерода в стали (например, СТ. 10).

Качественные стали для производства котлов и сосудов высокого давления, согласно ГОСТ 5520-79, обозначают как конструкционные нелегированные стали, но с добавлением буквы К (например, 20К).

Конструкционные легированные стали, согласно ГОСТ 4543-71, обозначают буквами и цифрами. Цифры после каждой буквы обозначают примерное содержание соответствующего элемента, однако при содержании легирующего элемента менее 1,5% цифра после соответствующей буквы не ставится. Качественные дополнительные показатели пониженное содержание примесей типа серы и фосфата обозначаются буквой — А или Ш, в конце обозначения, например (12 Х НЗА, 18ХГ-Ш) и т. п.

Литейные конструкционные стали, согласно ГОСТ 977-88, обозначаются как качественные и легированные, но в конце наименования ставят букву Л.

Стали строительные, согласно ГОСТ 27772-88, обозначают буквой С и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Дополнительно применяют обозначения: Т — термоупрочненный прокат, К — повышенная коррозионная стойкость, (например, С 345 Т, С 390 К и т. п.). Аналогично буквой Д обозначают повышенное содержание меди.

Стали подшипниковые, согласно ГОСТ 801-78, обозначаются также как и легированные, но с буквой Ш в конце наименования. Следует заметить, что для сталей электрошлакового переплава буква Ш обозначается через тире (например, ШХ 15, ШХ4-Ш).

Стали инструментальные нелегированные, согласно ГОСТ 1435-90, делят на качественные, обозначаемые буквой У и цифрой, указывающей среднее содержание углерода (например, У7, У8, У10) и высококачественные, обозначаемые дополнительной буквой А в конце наименования (например, У8А) или дополнительной буквой Г, указывающей на дополнительное увеличение содержания марганца (например, У8ГА).

Стали инструментальные легированные

, согласно ГОСТ 5950-73, обозначаются  также как и конструкционные легированные (например, 4Х2В5МФ и т. п.).

Стали быстрорежущие в своем обозначении имеют букву Р (с этого начинается обозначение стали), затем следует цифра, указывающая среднее содержание вольфрама, а затем буквы и цифры, определяющие массовое содержание элементов. Не указывают содержание хрома, т. к. оно составляет стабильно около 4% во всех быстрорежущих сталях и углерода, т. к. последнее всегда пропорционально содержанию ванадия. Следует заметить, что если содержание ванадия превышает 2,5%, буква Ф и цифра указываются (например, стали Р6М5 и Р6 М5Ф3).

Стали нержавеющие стандартные, согласно ГОСТ 5632-72, маркируют буквами и цифрами по принципу, принятому для конструкционных легированных сталей (например, 08Х18Н10Т или 16Х18Н12С4ТЮЛ).

Стали нержавеющие, нестандартные опытных партий обозначают буквами — индексами завода производителя и порядковыми номерами. Буквы ЭИ, ЭП, или ЭК присваивают сталям, впервые выплавленным заводом «Электросталь», ЧС — сталям выплавки Челябинского завода «Мечел», ДИ — сталям выплавки завода «Днепроспецсталь», например, ЭИ-435, ЧС-43 и др. Для обозначения способа выплавки доводки названия ряда сталей дополняют буквами (например, 13Х18Н10-ВИ), что означает вакуумно-индукционная выплавка.

Коррозионно-стойкие стали Влияние примесей.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.  

1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы.  Он способствует уменьшению содержания сульфида  железа FeS, так как образует с серой соединение  сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность  стали к вытяжкеСодержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности  и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.Располагаясь вблизи зёрен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин,  Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25ºС.Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера уменьшает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы  FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988ºС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зёрнами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явлениекрасноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурахСера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость аи пластичность (и ), а также предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси — газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2 , Al2O3 ) нитридов (Fe 2N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев  серебристого цвета.Металл с флокенами  нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме   мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси, которые специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали — легированные сталями.

Назначение  легирующих элементов.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей  -  (0…-100) ºС.

Дополнительные легирующие элементы.

Бор -  0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости (+20…-60) ºС.

Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна и повышает порог хладоломкости до (+40…-60) ºС.

Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120 ºС. Молибден  увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые  стали никеля, значительно повышает прочность и  прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА).  Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются,  штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.Добавка свинца, кальция способствует улучшению обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.Растворение легирующих элементов в происходит в результате  замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решётки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам  упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а твкже кремний и марганец в определенных количествах,  снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d–электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдаёт свои валентные электроны на заполнение d электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обусловливающую металлические свойства карбидов.