- •Пособие
- •120302 – Земельный кадастр, 120303 – городской кадастр
- •Ковалев н.С.
- •Введение
- •1. Краткий исторический обзор развития и применения металлических конструкций
- •2. Структура материалов
- •3. Дефекты кристаллов
- •4. Фазовые превращения
- •Диаграмма состояния сплавов I типа
- •Диаграмма состояния II типа
- •Диаграмма состояния III типа
- •5. Общие сведения о металлах и сплавах
- •5.1. Черные металлы
- •5.2. Цветные металлы и сплавы
- •6. Механические свойства металлов
- •7. Классификация и маркировка черных металлов и сплавов
- •7.1. Классификация конструкционных сталей
- •7.2. Классификация чугунов
- •7.3. Маркировка сталей
- •7.3.1. Углеродистые стали обыкновенного качества
- •7.3.2. Углеродистые качественные стали
- •7.3.3. Маркировка легированных сталей
- •7.4. Маркировка чугунов
- •7.5. Классификация и маркировка медных сплавов
- •7.6. Классификация и маркировка алюминиевых сплавов
- •8. Термическая и химико-термическая обработка стали
- •9. Технология металлов
- •9.1. Литейное производство
- •9.2. Обработка металлов давлением
- •9.2.1. Прокатка
- •9.2.2. Ковка
- •9.2.3. Волочение
- •9.2.4. Горячая объемная штамповка и область ее применения
- •9.2.5. Холодная объемная штамповка и область ее применения
- •9.2.6. Холодная и горячая листовая штамповки
- •9.3. Обработка металлов резанием
- •9.3.1. Виды обработки
- •9.3.2. Обработка на токарно-винторезных станках
- •9.3.3. Обработка на фрезерных станках
- •9.3.4. Обработка на сверлильных станках (осевая обработка)
- •9.3.5. Обработка абразивным инструментом
- •9.4. Сварка
- •9.4.1. Виды сварки
- •9.4.2. Электродуговая сварка
- •9.4.3. Электрошлаковая сварка
- •9.4.4. Электродуговая сварка в среде защитных газов
- •9.4.5. Газовая сварка
- •9.4.6. Термитная сварка
- •9.4.7. Контактная сварка
- •9.4.8. Виды сварных соединений и швов
- •10. Применение металлов в строительстве и защита их от коррозии
- •10.1. Сортамент продукции металлургических
- •Комбинатов
- •10.2. Арматурная сталь для изготовления железобетона
- •20Ат800 гост 10884-94;
- •10Ас400 гост10884-94;
- •16Ат400к гост10884-94.
- •Проволока 5-в1400;
- •Проволока 5-Вр1400.
- •10.3. Железобетон. Номенклатура изделий
- •10.4. Металлические каркасы зданий и сооружений и защита их от коррозии
- •10.5. Металлические мосты и область их применения
- •10.6. Защита металлов от коррозии
- •Вопросы для самопроверки
- •Список литературы
- •Оглавление
- •Пособие
- •394087 Воронеж, ул. Мичурина, 1
5.2. Цветные металлы и сплавы
Остальные металлы и сплавы на их основе относятся к цветным, которые делятся на легкие, плотностью до 5 г/см (алюминий, цинк, магний и сплавы на их основе), и тяжелые, плотностью свыше 5 г/см (медь и сплавы на ее основе) (рис. 10). Алюминий – самый распространенный на земле металл, он составляет около 8,1% земной коры.
Производство алюминия состоит из трех основных стадий: получение глинозема (Al3O3), получение алюминия из глинозема, рафинирование алюминия.
Химическим и термическим путем из руд алюминия (бокситы, нефелины, алунит) выделяют глинозем (Al2O3), затем из глинозема электролитическим способом в электролизерах извлекают металлический алюминий. Полученный при электролизе алюминий содержит ряд примесей: металлических, неметаллических, газообразных и т.д. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию путем хлорирования. Метод хлорирования заключается в продувке алюминия при температуре 750-760 °С хлором в течение 10-12 мин.
Недостатком чистого алюминия (без примесей других металлов) являются низкие твердость и прочность. При добавке к нему магния, меди, кремния, цинка, никеля прочность алюминия повышается. Комбинируя вид добавок и их количество (от 1,5 до 20%), получают алюминиевые сплавы с требуемыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами. Повышение прочности можно достигнуть пластическим деформированием (нагартовкой), закалкой и старением. Эти сплавы разделяют на две группы: литейные и обрабатываемые давлением (рис. 12).
Литейные сплавы применяют для производства фасонных отливок. К таким сплавам относят: силумин – сплав алюминия с кремнием (10-14%); сплав алюминия с медью (7-12%); вторичный алюминий – сплав алюминия с четырьмя компонентами: кремнием (3-7%), медью (1-4%), марганцем (0,4-0,8%) и цинком (0,5-1%).
Обрабатываемые давлением алюминиевые сплавы применяют для горячей и холодной прокатки в виде плит, листов, полос, лент для горячего прессования профилей, трубных заготовок, прутков с последующим их холодным волочением. К таким сплавам относят: альтмаг – сплав алюминия с магнием (2,8%); авиаль – сплав алюминия с медью (до 2,6%), магнием (0,8%), кремнием (1,2%) и марганцем (до 0,8%); дюралюминий – сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием (до 0,8), кремнием (до 0,8%) и марганцем (до 0,8%).
Рис.12. Классификация алюминиевых сплавов
Медные сплавы подразделяют по технологическим свойствам на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. По способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые. По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.
При увеличении содержания примесей удельная электропроводность меди уменьшается.
Латуни (сплавы меди с цинком).
Бронзы – сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка.
6. Механические свойства металлов
Механические свойства металлов – это предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, предел прочности при изгибе, твердость, ударная вязкость.
При испытании на растяжение строят диаграмму растяжения (рис. 13). Для одних металлов (низко- и среднеуглеродистых сталей) фиксируется площадка текучести, указывающая на способность металла претерпевать значительные пластические деформации; для других металлов (высокоуглеродистые стали) такая площадка отсутствует.
а б в
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов. Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия)
Предел текучести (σ )определяют либо как напряжение, соответствующее нижнему пределу площадки текучести, либо – для металлов, не имеющих площадки текучести, – как напряжение, при котором достигается некоторая остаточная деформация (обычно 0,2%)
σ = Р /А ,
где Р - соответствующая нагрузка;
А - площадь первоначального сечения шейки образца.
Временное сопротивление (σ ) определяют как предел прочности металла на растяжение по формуле
σ = Р / А ,
где Р - нагрузка, соответствующая разрыву образца.
Относительное удлинение характеризует пластичность металлов. Определяют ее как отношение приращения длины образца к его исходной длине по формуле
Δ = (l – l ) 100/l ,
где l - максимальная длина образца (в момент разрыва);
l - первоначальная длина образца.
На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения. Испытания проводят на образцах большой длины цилиндрической или прямоугольной формы (l : h > 10) по схеме балочки на двух опорах (рис. 14). Используют две схемы нагружений: сосредоточенной силой (рис. 14, а) и двумя симметричными силами (рис. 14, б).
Рис. 14.Схема испытаний на изгиб:
а - сосредоточенной силой, б - двумя симметричными силами
Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле
σ = M/W,
где М – наибольший изгибающий момент;
W – момент сопротивления поперечного сечения балки,
для образцов круглого сечения
W = /32 (где d – диаметр образца),
для образцов прямоугольного сечения
W = bh /6 (b, h – ширина и высота образца).
Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению другого более твердого тела. Для металлов твердость определяют методами Бринелля (ГОСТ 9012-59) (рис. 15, а), Виккерса (ГОСТ 2999-75) (рис. 15, б), Роквелла (ГОСТ 9013-59).
При определении твердости по Бринеллю в поверхность материала вдавливают закаленный стальной шарик диаметром (D) 10; 5; или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 до 30000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рис. 15, а). диаметр лунки измеряют с лупой.
Число твердости по Бринеллю (НВ) определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка по формуле
НВ = .
Способ измерения твердости по Бринеллю используют для материалов малой и средней твердости.
Рис. 15. Определение
твердости по методу Бринелля (а) и
Виккерса (б)
При определении твердости по методу Виккерса в поверхность материала вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136 (рис. 15, б). Отпечаток получается в виде квадрата, диагональ которого измеряют и число твердости (HV) вычисляют по формуле
HV =0,189 .
При определении твердости по методу Роквелла в поверхность вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120 , а число твердости отсчитывают непосредственно со шкалы твердомера.
Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки. Определяется на маятниковых копрах (рис. 16).
Рис. 16. Схема маятникового копра (а) и испытание на удар (б):
1 – образец; 2 – маятник; 3 - шкала; 4 – стрелка шкалы; 5 - тормоз
Стандартный образец устанавливают на две опоры и посередине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают ударную вязкость КС по формуле
КС = К/S ,
где S – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.