Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
13.12 Цветные металлы Цветные металлы по масштабам применения в архитектуре и строи- тельстве играют меньшую роль, чем черные. К цветным металлам относятся легкие сплавы, получаемые на основе алюминия или меди. Их применяют в мостостроении, используют для отделки зданий, для дверей и оконных пере- плетов высотных зданий. Цветные металлы разнообразны по своему составу и свойствам (таблица 65). Таблица 65 – Физико-механические свойства цветных металлов Свойство металлов Тяжелые Легкие Медь Никель Свинец Олово Цинк Алюминий Магний Плотность, кг/м 3 8930 8900 11370 7290 7100 2700 1740 Температура плавления, о С 1084 1455 327 231 419 660 651 Твердость по Бринеллю, МПа 368 950 30 50 350 150-300 300-400 Прочность, МПа 220 390 16 28 128 90-120 80-170 Теплопровод- ность, Вт/(м о С) 1,09 0,16 0,09 0,17 0,31 0,90 0,40 Алюминий (от латинского алумен – алюминиевые квасцы) – мягкий пла- стичный металл серебристо-белого цвета. Алюминий почти в 2,9 раза легче железа, легко поддается прокатке, ковке, штамповке и волочению, имеет вы- сокую электро- и теплопроводность. В земной коре железа содержится 4,5 %, а алюминия – 7,5 %. Алюминий в природе находится в химически связанном состоянии в виде алюмосиликатов и оксида алюминия Al 2 О 3 – глинозема, ко- 362 торый является основным сырьем для промышленного получения алюминия. Глинозем содержится в таких породах, как бокситы, нефелины, алуниты, као- лины и др. Рисунок 274 – Алюминиевые кровли Рисунок 275 – Алюминиевый радиатор Процесс получения алюминия состоит из следующих двух операций: вы- деления из руды чистого оксида алюминия – глинозема и восстановления электролизом расплавленного глинозема в чистый алюминий. Его свойства связаны с содержанием примесей, по наличию которых его подразделяют на алюминий особый, высокой и технической чистоты (А85 – в металле содер- жится 99,85 % Al). Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: σ в = 50 МПа, σ 0,2 = 15 МПа, δ = 50 %, а технического алюминия (АДМ): σ в = 80 МПа, σ 0,2 = 30 МПа, δ = 35 %. Технический алюминий вслед- ствие малой прочности в строительных конструкциях применяется редко. По- вышение прочности достигается легированием Mg, Mn, Cu, Si, Al, Zn, а так- же пластическим деформированием (нагартовкой), закалкой и старением. Алюминий обладает коррозионной стойкостью в атмосфере, поэтому его используют для защиты других металлов от коррозии. Из алюминия изготав- ливают фольгу, применяемую в утеплителях в качестве отражателя тепловых лучей и металлических обоев, алюминиевых кровель и радиаторов, отливки деталей и изготовления порошков, применяемых в красках в качестве металлического пигмента, а также в ячеистых бетонах в виде газообразую- щей добавки (рисунки 274, 275). Рисунок 276 – Металлизированные обои Металлизированные обои износоустойчивы, светостойки и хорошо моются. Металлический 363 блеск не тускнеет со временем. Обои изготавливают путем покрытия бумаж- ной основы тонким металлическим слоем (фольгой). Затем на поверхность обоев наносится тиснение или рисунок. Покрытия выполняются под золото, серебро и чуть покрытую патиной бронзу (рисунок 276). Современные окна из алюминия весьма разнообразны по стилю и дизайну. Их конструкция позволяет применять металлические окна в любом типе стро- ений – в производственных и общественных зданиях, в коттеджах и город- ских квартирах (рисунок 277). При реставрации старых построек металл поз- воляет имитировать стили давно ушедших эпох. Преимуществами алюминие- вых окон являются длительный срок службы и устойчивость против корро- зии, деформации и других вредных воздействий окружающей среды. Они не реагируют на воздействие кислот, масел, газов и ультрафиолетового излуче- ния. Такие окна не требуют особого ухода и сохраняют свои экологически благоприятные свойства в течение всего срока эксплуатации. Возможность производства окон очень больших размеров, любых форм и с различными способами открывания. Рисунок 277 – Сочетание металла с другими мате- риалами, например, алюминиевый профиль и де- коративные деревянные панели со стороны поме- щения, расширяют области применения алюмини- евых окон и позволяют им легко вписываться в любой интерьер Композитная панель типа Alucobond, Reynobond, Dibond, Format, A-Bond, Architecks, Good Sense используется для оформления интерьеров и облицовки фа- садов зданий и получила широкое распро- странение в строительстве и в дизайне ин- терьеров общеизвестными достоинствами: легкий вес, долговечность, водостойкость, влагостойкость, антикоррозийное покрытие. АЛЮКОБОНД состоит из двух прочных алюминиевых наружных листов толщиной 0,5 мм и полимерного внутреннего слоя раз- ного размера. Материал изготавливается общей толщиной 2, 3, 4 и 6 мм, в гамме из 19 стандартных цветов, включая металлик (бронза, шампань, серый, дымчато- серебристый и серебристый), также возмож- но исполнение текстурированного под ка- мень покрытия (рисунок 278 – 280). Рисунок 278 – Структура Алюкобонда 364 Рисунок 279 – Алюкобонд (Сан Диего, Тер- минал 2, США) Рисунок 280 – Алюкобонд (Дис- неленд, Флорида, Epot Centre "Raumschiff Erde") Медь – это тяжёлый цвет- ной металл красноватого цвета, мягкий, тягучий в холодном состоянии. Она отличается высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, образуя на своей поверхности красивую темную пленку углекислых соединений меди, называемую патиной . В чистом виде медь имеет небольшую прочность и высокую пластич- ность: σ в = 200…250 МПа, δ = 30…35 % (после про- катки и отжига). Она плохо обрабатывается резанием, но хорошо деформируется в холодном и горячем со- стояниях (рисунки 281, 282). Медь добывается из медных сульфидных и окислен- ных руд. Применяется медь для изготовления электри- ческих проводов, труб и в качестве составной части различных сплавов. Листовая медь идет на изготовле- ние кровельных материалов. На воздухе медь окисля- ется мало. Основные марки меди М000, М00, М0, М1. Рисунок 281 – Статуя свободы. 1886 г., США. Оболочка статуи выполнена из меди толщиной 2,4 мм Рисунок 282 – Медная кровля, выполненная по фальцевой технологии 365 Для изготовления труб используют медь очень высокой чистоты (99,9 %), т.е. количество примесей в ней не превышает 0,1 %. Такая медь отличается особенно высокой коррозионной стойкостью и пластичностью, при этом, не теряя пластичности даже при отрицательных температурах (минус 100 °С). Если в медной трубе замерзла вода, то она не потрескается, а лишь немного расширится и после оттаивания будет вновь готова к работе. При механиче- ской обработке (вытягивании, штамповке и т.п.) медь частично теряет пла- стичность и становится более жесткой и прочной. Это явление в металловеде- нии называют «наклеп». Медь можно вернуть в исходное пластичное состоя- ние «отжигом», т.е. нагревом до 600…700 °С и последующим медленным охлаждением. Для сравнения приведем две цифры: не отожженная медь имеет прочность 280…300 МПа и удлинение при разрыве 10…15%, а отожженная, соответственно, – 210…220 МПа и 50…60 %. О декоративных качествах меди и говорить не стоит. Медные трубы выпускаются стандартных размеров: диа- метр от 10 до 28 мм при толщине стенки 1 мм и диаметром от 35 до 54 мм при толщине стенки 1,5 мм (выпускают трубы и большего диаметра). Нужно за- метить, что, по сравнению со стальными трубами, медные трубы имеют очень маленькую толщину стенки и соответственно увеличенный внутренний диа- метр. Так, медная труба с внутренним диаметром 20 мм имеет стенки толщи- ной 1 мм и вес одного метра трубы всего 0,59 кг, т.е. почти в 3 раза легче стальной. При столь малой толщине стенки медные трубы рассчитаны на бо- лее высокое, чем у стальных труб рабочее давление. Медные трубы имеют очень гладкие стенки. Их шероховатость в 100 раз ниже, чем у стальных труб, и в 4…5 раз ниже, чем у полимерных. С учетом гладкости поверхности мед- ных труб их пропускная способность будет намного выше, чем у стальных, и остается постоянно высокой весь срок ее эксплуатации (не коррозирует и не «обрастает»). Прочностные параметры и долговечность медных труб практи- чески не зависят от давления и температуры транспортируемой жидкости (разрешенный интервал температур от плюс 250 до минус 100 °С). Это одно из существенных преимуществ медных труб перед полимерными трубами, у которых долговечность зависит от параметров (температуры и давления) транспортируемой жидкости. Кроме того, проблемы защиты от УФ-излучения и проникновения кислорода через стенку трубы для медных труб в отличие от полимерных труб просто нет. Цинк – металл средней твердости синевато-белого цвета. Покрыт плот- ным тонким слоем оксидов, защищающим металл от дальнейшего окисления. Цинковые руды представляют собой окисленные и сернистые соединения. Основной минерал, содержащий до 60 % цинка, – цинковая обманка. Цинк – это коррозионно-стойкий металл, применяемый в качестве анти- коррозионного покрытия при оцинковывании стальных изделий, в виде кро- вельной стали и болтов (рисунок 283). Цинк используют для производства скобяных изделий и в лакокрасочной промышленности. 366 Рисунок 283 – Система КРАСПАН ВСт (ВА) (ВСтН). Производится из оцинкованной стали, что защищает систему от коррозии на длительное время Олово – мягкий и пластичный блестя- щий металл серебристо-белого цвета. Ха- рактеризуется хорошей коррозионной стой- костью в атмосферных условиях. Добывает- ся из руды, которая называется оловянным камнем. Применяется для лужения стали и меди, в качестве припоя и как составная часть цветных легкоплавких сплавов. Магний – наиболее легкий блестящий и пластичный металл серебристо-белого цвета. В чистом виде магний малоустойчив и потому тускнеет на воздухе. Получают магний из морской рапы после осад- ки поваренной соли, из карналлита, а также из магнезита. Применяется маг- ний для изготовления специальных легких сплавов. Его используют также как раскислитель при получении некоторых тяжелых металлов. Свинец – мягкий, пластичный, тяжелый металл синевато-серого цвета, плохой проводник тепла и электричества, один из лучших материалов для за- щиты от радиоактивных излучений. Свинец хорошо льется и прокатывается, хорошо противостоит действию серной и соляной кислот. Добывают свинец путем восстановления свинцовых соединений. К рудам, содержащим свинец, относятся свинцовый блеск, сульфит свинца и углекислый свинец. Свинец – это коррозионно-стойкий металл, применяется в строительстве для антикоррозионных покрытий, гидроизоляции, зачеканки швов раструб- ных труб, герметизации деформационных швов, изготовления специальных труб и как составная часть некоторых легкоплавких сплавов. Никель – пластичный металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Он устойчив к воздействию воды и воздуха. Расходуется на приго- товление сплавов. Титан – металл серебристо-белого цвета, плавится при 1665 ± 5 о С. Су- ществует в двух модификациях: α-титан до 882 о С (плотность 4505 кг/м 3 ), кристаллизующийся в гексагональной решетке и β-титан при температуре 900 о С и более (плотность 4320 кг/м 3 ), кристаллизующийся в объемно- центрированной кубической решетке с периодом 0,33132 нм. На поверхности титана образуется прочная оксидная пленка, защищающая его от коррозии во всех средах, кавитационной коррозии и коррозии под напряжением. Технический титан марок ВТ1-00, ТВ1-0 и ВТ1-1 имеет невысокую проч- ность, пластичен (σ в = 300…350 МПа, δ = 20…30 %), хорошо обрабатывается давлением и сваривается. Примеси азота, углерода, кислорода и водорода 367 ухудшают антикоррозионные свойства, пластичность и свариваемость титана, охрупчивают (особенно водород) и повышают его прочность и твердость. 13.13 Сплавы цветных металлов В строительстве цветные металлы в чистом виде применяются редко, главным образом в виде сплавов. Принцип получения цветных сплавов осно- ван на свойстве многих из них в расплавленном состоянии, образовывать од- нородные смеси. Сплавы магния (с алюминием, цинком, марганцем и цирконием) самые легкие из сплавов цветных металлов. Их подразделяют на деформируемые (МА) и литейные (МЛ). Сплавы магния легко обрабатываются резанием, шлифуются и полируются. Недостаток их – подверженность коррозии во влажной атмосфере, пресной и соленой воде. Из таких сплавов готовят про- катные листы, плиты, профили. Наиболее известным магниевым сплавом является электрон , состоящий из магния, алюминия (до 10%), марганца или цинка (0,5 %). Его применяют при строительстве самолетов, вагонов, автомобилей. Изделия из электрона в 4 раза легче чугуна. Медные сплавы. Латунь – сплав меди с цинком (до 50 %) называют латунью. Предельная растворимость цинка в меди – 39 %. Такой сплав представляет собой твердый раствор цинка в меди (α-фаза), при содержании цинка до 45 % возникает вто- рая – δ-фаза. Двухфазные латуни более прочные и твердые, чем однофазные, но малопластичные. Марки латуней обозначают буквой Л и цифрами, указы- вающими содержание меди в процентах (остальное приходится на цинк). Ме- ханические свойства одно-и двухфазных латуней: α-латуни (Л96, томпак), Л80 (полутомпак) и Л70 – σ в = 240…320 МПа, δ = 50…52 %; α + δ-латуни – σ в = 360…390 МПа, δ = 44…49 % (томпак в пер. с фр. – медь). Для улучшения свойств латуни подвергают холодному и горячему деформированию, рекри- сталлизационному отжигу при 500…700 о С (α-латуни) и легированию добав- ками Sn, Si, Mn, Al, Fe, Pb, повышающими прочность, коррозионную стой- кость и антифрикционные свойства. Специальные латуни маркируют: ЛА77-2 (латунь, содержащая 77 % Cu, 2 % Al и 21 % Zn); ЛАЖ60-1-1 (латунь, содержащая 60 % Cu, 1% Al, 1% Fe и 38 % Zn). Они представляют собой однородные твердые растворы и поэтому весьма пластичны. Латунь хорошо поддаётся горячей и холодной обработке. Её приме- няют в виде изделий, листов, проволоки и труб. Бронза – сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем или никелем. Бронзы превосходят латуни по прочности, коррозионной стойкости и литейным свойствам. Оловянистые бронзы представляют собой раствор 4…5 % олова и меди (α-фаза). При большем содержании олова пластичность и литейные свойства бронзы резко снижаются. Перед обработкой давлением их подвергают рекри- 368 сталлизационному отжигу при 600…650 о С. Для улучшения литейных свойств и повышения прочности в бронзу вводят до 1 % фосфора. Бронзы, обрабаты- ваемые давлением, имеют σ в = 350…400 МПа, δ = 40…70 % (после отжига) и σ 0,2 =550…800 МПа, δ =4…12 % (после холодной деформации); бронзы для фасонного литья σ в = 150…180 МПа, δ = 6…8 %. Алюминиевые и кремнистые бронзы имеют механические свойства, ана- логичные оловянистым бронзам, но более дешевые и стойкие в агрессивных средах. В промышленности используют только однофазные бронзы, облада- ющие высокими пластичными и литейными свойствами. Бериллиевые бронзы содержат 2…2,5 % Ве и обладают наилучшими свойствами из всех известных бронз. После закалки при 760…780 о С и старе- нии при 300…350 о С механические свойства ее составляют: σ в = 1300…1350 МПа, δ = 1,5 %, НВ 4000. Свинцовые бронзы содержат до 30 % Рb и не образуют твердых раство- ров свинца в меди. Они склонны, как и оловянистые бронзы, к ликвации, имеют невысокую прочность (σ в = 60 МПа), пластичность (δ = 4 %) и хоро- шие антифрикционные свойства. Маркируют бронзы, как и латуни, по начальным буквам сплава и леги- рующего элемента. Например, бронза марки БрА7 содержит 7 % алюминия (остальное приходится на медь); БрОЦСН3-5-1 – оловянистая бронза, содер- жит 3% Sn, 7 % Zn, 5 % Pb, 1 % Ni и 84 % Cu; БрАЖН10-4-4 – алюминиевая бронза, содержит 10 % Al, 4 % Fe, 4 % Ni и 82 % Cu. Медно-никелевые сплавы представлены мельхиором и его заменителем – нейзильбером. Применяют их для изготовления санитарно-технической арма- туры, малых архитектурных форм (рисунок 284). Рисунок 284 – Скульптура из бронзы 369 Мельхиор – сплав меди с никелем (19 %), железом (0,8 %) и небольшим количеством кобальта. Мельхиор марки МН-19 содержит, кроме меди, 19 % никеля и десятые доли процента кобальта. Нейзильбер (новое серебро) – тройной сплав меди, никеля и цинка. Нейзильбер марки МНЦ 15-20 содержит 15 % никеля и 20 % цинка. Из медно- никелевых сплавов изготавливают прокат в виде труб, проволоки, полос, лент. Для изготовления алюминиевых изделий используют алюминиевые сплавы – алюминиево-марганцевый, алюминиево-магниевый и т.д. Из алюми- ниевых сплавов наибольшее распространение получили дюралюмины и си- лумины. Все алюминиевые сплавы делятся: на деформируемые и литейные . Деформируемые сплавы в свою очередь подразделяются: на термически упрочняемые (Al–Mg–Si, Al–Cu–Mg, Al–Zn–Mg), не упрочняемые – технический алюминий и двухкомпонентные сплавы Al– Mn и Al–Mg (магналии). В равновесном состоянии сплавы алюминия представляют собой низко- легированные твердые растворы и интерметаллидные фазы CuAl 2 (θ-фаза), Mg 2 Si, Al 3 Mg 2 , Al 2 CuMg (S -фаза) и т.д. Медь – основная легирующая добавка сплавов – дуралюминов, значи- тельно повышающая прочность алюминия, но снижающая его пластичность и антикоррозионные свойства. Марганец и магний повышают прочность и ан- тикоррозионные свойства. Кремний повышает текучесть и легкоплавкость, но ухудшает пластичность. Цинк, особенно с магнием, значительно увеличивает прочность алюми- ния, но уменьшает стойкость к коррозии под напряжением. Для улучшения свойств алюминиевых сплавов в них вводят небольшое количество хрома, ва- надия, титана, циркония и других элементов. Железо (0,3…0,7 %) является нежелательной, но неизбежной примесью. Такие сплавы обозначаются мар- ками различных конструктивных элементов зданий. Марки имеют буквенное и цифровое обозначение, характеризующее состав и состояние сплава. По- следнее обозначается: М – отожженный (мягкий), Н – нагартованный. Н2 – полунагартованный, Т – закаленный и естественно состаренный, Т1 – зака- ленный и искусственно состаренный, Т4 – не полностью закаленный и искус- ственно состаренный. Нагартовка и полунагартовка характерна для термиче- ски не упрочняемых сплавов, закалка и старение – для термически упрочняе- мых сплавов. Марки технического алюминия обозначаются: АД, АД1 (А – алюминий, Д – сплав типа дуралюмина, 1 – характеризует степень чистоты алюминия – 99,3 %, в марке АД – 98,8 % Al), высокопрочного – В95, В96, ковкого АК6, АК8 (цифры обозначают суммарное содержание основных и дополнительных легирующих элементов в сплаве (%). 370 Марки термически не упрочняемых алюминиевых сплавов: АД1М, АМцМ, АМг2М, АМг2Н2 (М – мягкий, Мц – марганец, Мг2 – магний при со- держании в сплаве 2 %). Цифровое обозначение марок алюминиевых сплавов: 1915, 1915Т, 1925, 1935Т (первая цифра обозначает основу сплава – алюминий, вторая – компо- зицию компонентов, 0 – технически чистый алюминий, 1 – Al-Cu-Mg, 3 – Al- Mg-Si, 4 – Al-Mn, 5 – Аl-Mg, 9 – Al-Mg-Zn; две последние – порядковый но- мер сплава в своей группе композиции). Основными видами термической обработки алюминиевых сплавов яв- ляется отжиг, закалка и старение (отпуск). Дюралюмины – это сплавы алюминия с медью (менее 4 %), кремнеземом (менее 12 %), магнием (менее 7 %) и марганцем (менее 1 %). В начале марок дуралюмина стоит буква Д, за которой следуют цифры, указывающие номер сплава, соответствующий его определенным свойствам. Так, например, дура- люмин Д6 имеет повышенную прочность, а Д18 – высокую пластичность. К высокопрочным алюминиевым сплавам относят сплавы марок В93, В94, В95 и др., где буква В означает высокопрочный, а цифры – номер сплава. В их состав, кроме алюминия, входят цинк, медь, магний и марганец. Детали из дюралюмина соединяются холодной клепкой или электроко- нтактной сваркой. Изделия из дюралюмина, эксплуатируемые на открытом воздухе, защищают от коррозии путем так называемого плакирования, т.е. покрытия его поверхности чистым алюминием. Силумины – сплавы алюминия с SiО 2 (10…14 %), имеющие марки АЛ2, АЛ4, АЛ9, где А означает алюминиевый, Л – литейный, а цифры – номер сплава. Они обладают высокими литейными качествами, малой усадкой и по- ристостью, высокой твердостью и прочностью. Применяемые в строительстве алюминиевые сплавы при незначитель- ной плотности (2,7…2,9 кг/см 3 ), имеют прочностные характеристики, которые близки к прочностным характеристикам строительных сталей. Изделия из алюминиевых сплавов характеризуются простотой технологии изготовления, хорошим внешним видом, огне- и сейсмостойкостью, антимагнитостью и долговечностью. Такое сочетание строительно-технологических свойств у алюминиевых спла- вов позволяет им конкурировать со сталью. Использование алюминиевых сплавов в ограждающих конструкциях позволяет уменьшить вес стен и кров- ли в 10…80 раз, сократить трудоёмкость монтажа. Листовые изделия из алю- миниевых сплавов применяют для облицовки стеновых панелей и стен, для кровельных панелей и покрытия кровли, для устройства подвесных потолков. Из прокатных профилей из алюминиевых сплавов изготавливают металличе- ские оконные переплеты. В несущих конструкциях алюминиевые сплавы применяют в балочных покрытиях, в стойках и фермах, в рамных, арочных, купольных, складчатых и других видах конструкций (рисунок 285). 371 Основными недостатками алюминиевых сплавов являются высокая себе- стоимость, сравнительно низкий модуль продольной упругости, высокий ко- эффициент линейного расширения и относительная сложность выполнения соединений. Титановые сплавы . Для улучшения механических и технологических свойств титана его легируют добавками Al, Мо, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zn, Si. Раз- личают α-сплавы и α + β-сплавы титана. Первые представляют собой твердый раствор легирующих элементов (Al – основной, Мо, Cr, Sn, Fe, Zn) в α-титане. Они не упрочняются термообработкой и подвергаются только рекристаллиза- ционному отжигу при 780…850 о С. α+β-сплавы состоят из α- и β твердых растворов и содержат, кроме Al, 2…4 % Cr, Мо, Fe (стабилизаторов β-титана). Они упрочняются закалкой и старением. При закалке происходит мартенсит- ное превращение и образуется пересыщенный раствор легирующих элементов в α-титане. При старении происходит распад мартенситных фаз и остаточной β-фазы, сопровождающийся упрочнением сплава. Наибольшее распространенные α-сплавы, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 имеют следующие показатели: σ в = 700…390 МПа, δ =12…25 %, КСU = 0,4…0,9 мДж/м 2 ; α + β-сплавы ВТ6, ВТ8, ВТ14 – σ в = 950…1400 МПа, δ =8…12 %, КСU = 0,3…0,8 мДж/м 2 . Они хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, свариваются и противостоят коррозии. |