8875

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.В. Мыльников

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекциям и семинарским занятиям (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Строительные материалы и изделия»

для обучающихся по научной специальности 2.1.5. Строительные материалы и изделия

Нижний Новгород ННГАСУ

2023

УДК

Мыльников, В. В. Строительные материалы: учебно-методическое пособие / В. В. Мыльников; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2023. – 187 с.: ил. – Текст: электронный.

Даются тематика лекций, их краткое содержание, планы семинарских занятий, а также методические рекомендации по организации самостоятельной работе обучающихся по дисциплине «Строительные материалы». Указывается необходимая литература и источники, разъясняется последовательность их изучения, выделяются наиболее сложные вопросы и даются рекомендации по их изучению.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекциям и семинарским занятиям, организации самостоятельной работы по научной специальности 2.1.5. Строительные материалы и изделия.

© В. В. Мыльников © ННГАСУ, 2023.

2

3

ВВЕДЕНИЕ

В инженерной практике вопросы выбора материалов играют огромную роль. При этом повышение прочности и долговечности деталей конструкций является первоочередной задачей в технологическом процессе. Поэтому знание структурообразования и фазовых превращений в современных материалах является необходимым для подготовки специалистов технических и строительных специальностей.

Современное состояние дисциплины позволяет говорить о том, что правильный выбор известных и новых материалов совершенно невозможно проводить без знания физико-химических закономерностей и вопросов структурообразования. Появление же новых строительных материалов заставляет глубже изучать указанную дисциплину.

Целью настоящего пособия является оказание помощи аспирантам при подготовке практических работ, а также для самостоятельного изучения.

4

ЧАСТЬ 1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением

(прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение как «чистый металл», оно весьма условно, так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001%. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999 %).

Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.

Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью,

твердостью и износостойкостью и т.д.

Сплавами называются сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов. Сплав – макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов

5

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. Так,

например, прочность технического железа составляет примерно 250 МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас.% прочность повышается до 980

МПа.

Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные

(к ним относят железо и сплавы на его основе) и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В машиностроении в основном применяют черные металлы – чугуны и стали для изготовления осей, валов,

шестерен, подшипников и для других металлических конструкций и изделий.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.

Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe2O3 > Fe3O4

> FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное железо соприкасается с коксом и превращается в чугун.

Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые

(углерод в виде цементита и свободного графита) и белые (углерод в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах приведены на рис. 1.1. Существуют государственные стандарты,

регламентирующие разновидности чугуна. Основные из них показаны в

6

таблице 1.1.

Рис. 1.1. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах (без травления шлифов): а – пластинчатая, б –

шаровидная, в – вермикулярная, г – хлопьевидная (компактная)

Таблица 1.1. Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам

№№ ГОСТа Наименование стандарта

1215-79 Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия.

1412-85 Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки.

1585-85 Чугун антифрикционный для отливок. Марки.

7293-85 Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки.

7769-82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки.

28394-89 Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки.

Стали можно подразделить на две основные группы – углеродистые и легированные (рис. 1.2).

Углеродистые стали – основной конструкционный материал, который используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.

7

Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения заданных свойств. По степени легированности стали подразделяются на низколегированные, средне - и высоколегированные.

Таблица 1.2. Перечень основных разновидностей сталей по

государственным стандартам

8

Классификация сталей по качеству основывается на содержании вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную, конструкционную и сталь высококачественную.

По назначению стали подразделяются на три группы:

конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в количестве 0,02

– 0,7 мас.%. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что многие элементы конструкций и деталей машин соединяются сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5

мас.%, используют для изготовления режущего и ударного инструмента. К

группе сталей и сплавов с особыми свойствами относятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т.д. Перечень государственных стандартов основных разновидностей сталей приведен в таблице 1.2.

9