Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
Coastal Fog Tower. По подсчётам авторов проекта с одной башни можно будет собрать как минимум 20 тыс. л и как максимум 100 тыс. л пресной воды в сутки, что немало для жителей Уаско, проживающих по соседству с пустыней. Для этого была разработана особая структура башни, состоящая из че- тырех компонентов со специфическими функциями. Четырехсторонние сети высокой плотности будут служить для сбора воды. Следующий компонент – медные сети низкой плотности, которые соединяют четыре спиральные ру- коятки, транспортирующие собранную воду в расположенный в основании башни резервуар. Он снабжен аккумуляторами воды, фильтрующей мембра- ной и циркуляционной системой, распределяющей очищенную с использо- ванием системы обратного осмоса воду. Создание сплавов позволило получать вещества, имеющие те свойства, которые наиболее необходимы в промышленности и строительстве, что вы- вело применение металлов на качественно новый уровень. В настоящее время жизнь человечества без использования металлов представить очень сложно. Металлы используются в промышленности, в строительстве, из них изготавливается множество предметов, без которых невозможно представить быт человека. В организме человека находится 81 химический элемент, из них 3 % составляют металлы. Больше всего в наших клетках кальция и натрия, сконцентрированного в лимфатических системах. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь – в печени, желе- зо – в крови, алюминий – легких, печени, костях и головном мозге. Микро- скопические дозы металлов используются в лечебных целях только в гомео- патии. Литий – мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета, он был от- крыт в 1817 г. шведским химиком А. Арфведсоном в минерале петалите (греч. lithos – камень). Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 г. 306 Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C соответственно), у не- го самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды). В черной металлургии литий, его соединения и сплавы широко применяют для раскисления, леги- рования и модифицирования многих марок сплавов. В цветной металлургии литием обрабатывают сплавы для получения хорошей структуры, пластичности и высокого предела прочности. Хорошо известны алюминиевые сплавы, содержащие всего 0,1% лития, – аэрон и склерон; помимо легкости, они обладают высокой прочностью, пластично- стью и стойкостью против коррозии. Термостойкое стекло ROBAX является прозрачной стеклянной керамикой. Отличается хорошей проводимостью тепла и низким тепловым расширением, а также выдерживает высокие тем- пературы (до 760 о С). Это позволяет его использовать в закрытых каминах, сохраняя видимость движения огня и ощущение тепла, одновременно защи- щая комнату от открытого огня и искр. Карбонат лития Li 2 CO 3 используется как компонент в составах керами- ки, ситаллов, электроизоляционного фарфора и термостойких керамических покрытий (в том числе для камер сгорания и сопел реактивных двигателей); как составное вещество глазурей, эмалей, кислотоупорных покрытий, грун- товок для алюминия, чугуна и листовой стали; как компонент стекол для придания прочности и сопротивляемости к коррозии. Стекла с добавкой кар- боната лития обладают повышенной проницаемостью для ультрафиолетово- го излучения. В алюминиевой промышленности его применяют в качестве флюса. В цементной промышленности – как добавку, ускоряющую твердение цементных растворов. Осмий – самый тяжелый металл на Земле. Осмий имеет рекордную плотность среди всех элементов периодической системы – 22,5 г/см 3 , т. е. он в два раза тяжелее свинца и почти в три раза тяжелее железа. Одно из глав- ных достоинств осмия – его очень высокая твердость; в этом с ним могут конкурировать немногие металлы. Наряду с твердостью, известно ещё одно достоинство осмия – тугоплавкость. По температуре плавления (3000 о С) он превзошел не только другие платиноиды, но и большинство остальных ме- таллов. Каталитическая деятельность осмия: применение его в реакциях гидро- генизации органических веществ дает оптимальные результаты. В роли ката- лизатора осмий используется и при синтезе некоторых лекарственных препа- ратов. На химические нужды расходуется почти половина его мировой до- бычи. Радиогенный изотоп осмия совершенно стабилен и никакой опасности в смысле радиоактивности не представляет. Таким образом, вышеперечисленные свойства определяют осмий как базу разработки и развития высоких технологий по производству современ- 307 ных новых материалов на основе металлов и сплавов, как металлы будущего в области металлургии четвертого и пятого переделов, материаловедении. Это является основанием того, что изотоп осмия может выступать как со- вершенный залоговый материал, наряду с золотом и алмазами. Иридий добавляют не только к платине. Небольшие добавки элемента 77 к вольфраму и молибдену увеличивают прочность этих металлов при вы- сокой температуре. Мизерная добавка иридия к титану (0,1 %) резко повы- шает его и без того значительную стойкость к действию кислот. То же отно- сится и к хрому. Термопары, состоящие из иридия и сплава иридия с родием (40 % родия), надежно работают при высокой температуре в окислительной атмосфере. Из сплава иридия с осмием делают напайки для перьев авторучек и компасные иглы. Металлический иридий применяют главным образом из- за его постоянства – постоянны размеры изделий из металла, его физические и химические свойства, причем, если можно так выразиться, постоянны на высшем уровне. Можно наносить иридиевые покрытия на металлы и керамику химиче- ским способом. Для этого получают раствор комплексной соли иридия, например с фенолом или каким-либо другим органическим веществом. Такой раствор наносят на поверхность изделия, которое затем нагревают до 350...400 °C в контролируемой атмосфере, т.е. в атмосфере с регулируемым окислительно-восстановительным потенциалом. Органика в этих условиях улетучивается или выгорает, а слой иридия остается на изделии. То, что ос- мий и иридий часто "выступают дуэтом" – в виде природного сплава, объяс- няется не только ценными свойствами осмия и иридия, но и волею судьбы, пожелавшей, чтобы в земной коре эти элементы были связаны необыкновен- но прочными узами. В виде самородков ни тот, ни другой металл в природе не обнаружен, зато осмистый иридий и иридистый осмий – хорошо извест- ные минералы (называются они соответственно невьянскит и сысертскит): в первом преобладает иридий, во втором – осмий. Но покрытия – не главное применение иридия. Этот металл улучшает механические и физико-химические свойства других металлов. Обычно его используют, чтобы повысить их прочность и твердость. Добавка 10 % иридия к относительно мягкой платине повышает ее твердость и предел прочности почти втрое. Если же количество иридия в сплаве увеличить до 30 %, твер- дость сплава возрастет ненамного, но зато предел прочности увеличится еще вдвое – до 99 кг/мм 2 . Поскольку такие сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью, из них делают жаростойкие тигли, выдерживаю- щие сильный нагрев в агрессивных средах. В таких тиглях выращивают, в частности, кристаллы для лазерной техники. Платино-иридиевые сплавы привлекают и ювелиров – украшения из этих сплавов красивы и почти не из- нашиваются. Из платино-иридиевого сплава делают также эталоны, иногда – хирургический инструмент. 308 В будущем сплавы иридия с платиной могут приобрести особое значе- ние в так называемой слаботочной технике как идеальный материал для кон- тактов. Каждый раз, когда происходит замыкание и размыкание обычного медного контакта, возникает искра; в результате поверхность меди довольно быстро окисляется. В контакторах чистый осмий – синевато-серый, туго- плавкий (2700 °С) и твердый, но хрупкий металл. Хрупкость осмия так вели- ка, что его можно истолочь в порошок в железной ступке, причем порошок имеет сине-черный цвет, а не серовато-светлый, как у большинства металлов. Необычные свойства порошка осмия состоят также в том, что на воздухе он, хотя и медленно, но уже при обычной температуре соединяется с кислоро- дом, причем один атом осмия пpисоединяет четыре атома кислорода, т. е. осмий проявляет самую высокую валентность, равную восьми, образуя четы- рехоксид осмия. Исключительная твердость, хорошая коррозийная стойкость, высокое сопротивление износу и отсутствие магнитных свойств делают осмий в со- ставе сплава с иридием прекрасным материалом для острия компасной стрелки, осей и опор точнейших измерительных приборов и часовых меха- низмов. Из него изготавливают режущие кромки хирургических инструмен- тов, резцов для художественной обработки слоновой кости. Еще в большем объеме выросла металлургическая промышленность в XX столетии. Наряду с увеличением выплавки стали появилась необходи- мость организовать в больших масштабах получение меди, цинка, вольфра- ма, молибдена, алюминия, магния, титана, бериллия, лития и других метал- лов. Несмотря на то, что количество известных человечеству металлов увеличивалось все более, те из них, что были известны человечеству еще со средних веков, продолжают использоваться в ювелирном ремесле, декора- тивно-прикладном искусстве, а также в современной архитектуре. Небоскреб архитектора Фрэнка Ллойд Райта, получивший имя X-Seed 4000, самый высокий из всех (высота здания 4 км), спроектированных на се- годняшний день, если не учитывать тот факт, что создан он пока лишь на бу- маге. Согласно проекту, небоскреб будет опираться на основании в 6 км 2 и превышать гору Фудзи (на которую он и походит) более чем на 200 м и спо- собен будет разместить от 500 тыс. до 1 млн. человек. Металлические кон- струкции здания запроектированы из оцинкованной стали. Это одно из самых «зеленых» зданий в мире: большую часть энергии для обеспечения работы систем внутреннего микроклимата он будет полу- чать из солнечного света. Кроме того, здание будет способно защитить своих обитателей как от перепадов давления, так и от капризов атмосферы. Лифты здания, рассчитанные на 200 человек, будут подниматься на самый высокий этаж за 30 мин (рисунок 234). 309 Рисунок 234 – Небоскреб архитектора Фрэнка Ллойд Райта, получивший имя X-Seed 4000 Рисунок 235 – К летним олимпийским играм 2012 года, которые пройдут в столице Вели- кобритании, Лондон обзаведется башней ArcelorMittal Orbit. Она, по мнению авторов про- екта, должна стать таким же символом Лондона, каким для Парижа является Эйфелева башня. У победившего проекта несколько рабочих названий, одно из них – Колосс Стратфордский (Colossus of Stratford). Башня будет установлена на площади между олимпийским стадионом и акватик-центром. Сооружение высотой 115 м и весом около 1400 т будет представлять собой переплетение стальных кон- струкций красного цвета, которые образуют замысловатую форму пересека- ющихся орбит. Новая башня представляет собой «писк» последних техноло- гий (рисунок 235). Норман Фостер, глава архитектурного бюро Foster+Partners, недавно провёл презентацию «Острова-кристалла». Это гигантский – больше 400 м в 310 диаметре – шатер, висящий на одной 450-метровой оси-мачте. Конструкция сооружения – вантовая, закручивается по двум разнонаправленным спира- лям, образующим ромбическую и чешуйчатую структуру. Это уникальная хайтековская структура, не только в смысле инженерных конструкций, но и в смысле функционирования здания, использующего солнечную энергию, естественную вентиляцию и т. д. Внутри располагаются гостиницы, спортив- ные помещения, выставочные залы, торговые помещения, кафе, рестораны, дискотеки, детские центры и вообще все, что можно себе представить, за ис- ключением жилья и офисов. В создаваемой Фостером жилой среде возрастает внешняя роль металла: объемы формируются сочетанием и наслоением нескольких металлических и металлостеклянных оболочек. Несущая конструкция – легкий каркас – за- полняется слоистыми панелями и также облицовывается металлом. Про- странство внутренних объемов четко структурируется с помощью железобе- тонных конструкций. Часто постройки Фостера отмечены присутствием ги- гантской кровли, образуемой параллельными стальными сводами, венчаю- щими визуально легкий каркас, или сферическим гигантским куполом. Стро- го подчиненные принципу контекстуализма, они четко «вписаны» в окружа- ющую среду. «Хрустальный остров» в Нагатинской пойме на юге Москвы будет иметь площадь около 2,5 млн. м 2 . Архитектурной доминантой «Хру- стального острова» станет ажурная башня высотой примерно 457 м, 300 из которых придется на шпиль. Комплекс включит в себя 900 квартир, где мо- гут жить 30 тысяч человек, 3000 гости- ничных номеров, кинотеатр, развлека- тельный центр, тор- говый центр, центр здоровья, а также школу на 500 уче- ников. Кроме того, в проекте предусмат- ривается строитель- ство специальной смотровой площад- ки на высоте 300 м (рисунок 236). Рисунок 236 – Фостеровский "Хрустальный остров" в Нагатинской пойме в Москве по проекту должен быть покрыт сетчатой гиперболоидной оболочкой 311 13.2 Общие сведения и классификация Металлы и их сплавы – одни из главных конструкционных материалов со- временной цивилизации. Это определяется, прежде всего, их высокой проч- ностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах. Металлы (от греческого металлон – копи, рудники, а не буквально до- бытое из земли) представляют собой вещества неорганического происхожде- ния, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью. К металлам относят и их сплавы, имеющие по свойствам много общего с металлами. Сплавы – системы, образованные сплавлением нескольких металлов (например, меди с цинком) или металлов с неметаллами (например, железо с углеродом). Наиболее распространенные металлы: алюминий (содержание в земной коре 8,8 %), железо (5,1 %), кальций (3,62 %), натрий, калий, магний и титан (по 2 %). Металлы и сплавы ме- таллов подразделяют на две основные группы: черные (железные) и цветные (не железные). Среди железных сплавов различают сталь (до 2 % углерода в сплаве), чугун (более 2 % углерода) и ферросплавы – сплавы железа с кремнием, хромом, марганцем, никелем и неко- торыми другими элемента- ми (рисунок 227). Рисунок 227 – Чугунный мост (Англия, 1979 г.) Не железные металлы и сплавы подразделяют: по плотности – на тяжелые, ρ = 5… 22,6 г/см³ (свинец, медь, олово, осмий, иридий и их сплавы) и легкие, ρ = 0,53…5 г/см³ (литий, алюминий, магний, титан и их сплавы) (рисунки 228, 229); по температуре плавления – на легкоплавкие (ртуть – 39 о С, свинец, олово, цинк) и тугоплавкие (вольфрам – 3410 о С, молибден, хром); 312 по степени окисления – на благородные (золото, серебро, платина) и обыкновенные (все остальные). В последнее время все большее распространение в архитектуре и дизайне получают цветные металлы (рисунки 230 – 232). Т и ρ, т/м 3 Рисунок 228 – Плотность и твердость металлов по шкале Мооса Рисунок 229 – Плотность сплавов Плотность и твердость металлов 313 Рисунок 230 – Золотая крыша древнего храма в Шангри-Ла Рисунок 231 – Бронзо- вый лев охранял в за- претном городе дворец китайских императоров Рисунок 232 – Ансамбль ампирного декора – ионические колонны, отделанные сусальным золотом Сплавы классифицируют: по назначению: на общие и специальные (шарикоподшипниковые; твер- дые и используемые для армирования резцовых инструментов; для изготов- ления заклепок); 314 по количеству компонентов: на двойные (бинарные) и сложные ( трой- ные, четверные и т.д.); по наличию специальных примесей: на легированные (от латинского лиго – связываю) и не легированные (без примесей); по способу получения из них изделий – на деформируемые (изделия, кото- рые изготавливают прокаткой, ковкой) и литейные ; по структуре – на твердые растворы, механические смеси и химические соединения. Твердые растворы представляют собой сплавы, в которых сохраняется решетка растворителя, а атомы растворенного элемента внедряются в кри- сталлическую решетку (растворы внедрения) или замещают в ней атомы рас- творителя (растворы замещения) (рисунок 233). Механическая смесь состоит из смеси кристалликов чистых элементов, твердых растворов или химических соединений. Рисунок 233 – Кристаллические решетки упорядо- ченных твердых рас- творов: а – СuZn; б – СuАu; в – Сu 3 Аu Химические соединения получают при строго определенном соотношении компонентов. Они образуют новые кристаллические решетки, отличные от решеток входящих компонентов. Примером химического соединения являет- ся соединение железа с углеродом Fe 3 C. Химическое соединение, как прави- ло, намного тверже компонентов, из которых оно образовалось. Наиболее разнообразные свойства имеют железоуглеродистые сплавы, что связано с их структурой. К структурным составляющим железоуглероди- стых сплавов относятся: феррит, аустенит, перлит и ледебурит. Феррит – твердый раствор внедрения углерода до 0,02 % в α-железе (ри- сунок 234). Атомы углерода располагаются в центре граней куба, в вакансиях и на дислокациях. Предельная растворимость углерода в феррите при 20 о С около 0,006 %, при 727 о С – 0,02 %, в интервале 1392…1539 о С – 0,1 %. Чи- стый феррит пластичен, имеет небольшую прочность и твердость, σ в = 250 МПа, σ 0,2 = 120 МПа, относительное удлинение ( ) до 50 %, а поперечное сужение – до 80 %, НВ 800…900 МПа. До температуры 770 С феррит фер- 315 ромагнитен, выше – парамагнитен. Эта структура преоблада- ет у тонколистовой и низкоуглероуглеродистой стали. Рисунок 234 – Феррит Аустенит – твердый раствор внедрения углерода (до 2 %) и легирующих элементов в γ-железе. Предельная растворимость углерода в аустените 2,14 % при 1147 о С. Атомы углерода располагаются в центре элементарной ячей- ки и дефектных областях кристалла. Повышенная растворимость углерода в аустените обусловлена большим объемом и числом пор в кристаллической решетке γ-Fe. Легирование его Mn, Cr, Si, Mo и В повышает устойчивость аустенита при охлаждении вплоть до комнатной температуры и определяет возможность получения закалочных структур – бейнита и мартенсита, при большой толщине проката. Аустенит устойчив в железоуглеродистых спла- вах при температуре более 727 о С. Твердость его равна 1700…2000 МПа, в – 50…80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разру- шению. Он легко наклепывается, обладает большим температурным коэффи- циентом теплового расширения. Такую структуру получают при термической и химико-термической обработке. Как в феррите, так и в аустените осу- ществляется металлический тип связи. Цементит – химическое соединение железа с углеродом (6,67 %) – кар- бид железа (Fe 3 C), имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаков- кой атомов. Цементит является метастабильной фазой, претерпевающей из- менения при легировании и термической обработке сплавов. Различают пер- вичный цементит, выделяющийся при кристаллизации из жидкого расплава, вторичный и третичный цементиты, выделяющиеся при распаде аустенита и феррита. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные, так и ме- таллического типа. Это подтверждается высокой твердостью, близкой к твер- дости алмаза (8000…8500 МПа по Бринеллю) и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не уста- новлена и принимается равной около 1600 С. Перлит – механическая смесь феррита с цементитом, образуемая при рас- паде аустенита, с содержанием 0,8 % углерода. Наиболее распространенная структурная составляющая сталей и чугунов (рисунок 235). Ледебурит в момент образования состоит из цементита и аустенита, а после охлаждения – из цементита и перлита. Содержит 4,3 % углерода, отличается высокой твердостью и хрупкостью. Одна из основных составляющих железоугле- родистых сплавов. Рисунок 235 – Перлит Графит – стабильная фаза, выделяющаяся при медленном охлаждении сплава и наличии графитизирующих элементов Si, Ni, Cu, Al и других вклю- |