Danas se aluminijum koristi u gotovo svim industrijama, od proizvodnje pribora za hranu do izrade trupa svemirskih letelica. Za određene proizvodne procese prikladne su samo određene vrste aluminija, koje imaju određena fizička i kemijska svojstva.

Glavna svojstva metala su visoka toplotna provodljivost, duktilnost i duktilnost, otpornost na koroziju, mala težina i niska omska otpornost. Oni direktno zavise od procenta nečistoća uključenih u njegov sastav, kao i od tehnologije proizvodnje ili obogaćivanja. U skladu s tim razlikuju se glavne vrste aluminija.

Vrste aluminijuma

Sve vrste metala su opisane i navedene u jedinstveni sistem priznati nacionalni i međunarodni standardi: evropski EN, američki ASTM i međunarodni ISO. U našoj zemlji, razredi aluminijuma su definisani GOST 11069 i 4784. Svi dokumenti se razmatraju odvojeno. Istovremeno, sam metal je precizno podijeljen na razrede, a legure nemaju posebno definirane oznake.

U skladu sa nacionalnim i međunarodnim standardima, treba razlikovati dva tipa mikrostrukture od nelegiranog aluminijuma:

• visoka čistoća sa procentom većim od 99,95%;
• tehničke čistoće, sadrži oko 1% nečistoća i aditiva.

Jedinjenja željeza i silicija najčešće se smatraju nečistoćama. U međunarodnom ISO standardu za aluminijum i njegove legure izdvojena je posebna serija.

Aluminijski razredi

Tehnički tip materijala podijeljen je na određene razrede, koji su dodijeljeni relevantnim standardima, na primjer, AD0 prema GOST 4784-97. U isto vrijeme, visokofrekventni metal je također uključen u klasifikaciju, kako ne bi stvarali zabunu. Ova specifikacija sadrži sljedeće ocjene:

1. Primarni (A5, A95, A7E).
2. Tehnički (AD1, AD000, ADS).
3. Deformabilan (AMg2, D1).
4. Livnica (VAL10M, AK12pch).
5. Za deoksidaciju čelika (AV86, AV97F).

Osim toga, postoje i kategorije ligatura - aluminijskih spojeva koji se koriste za stvaranje legura od zlata, srebra, platine i drugih plemenitih metala.

Primarni aluminijum

Primarni aluminij (razred A5) je tipičan primjer ove grupe. Dobija se obogaćivanjem glinice. U prirodi, metal čista forma nije pronađen zbog njegove visoke hemijske aktivnosti. Kombinujući se sa drugim elementima, formira boksite, nefeline i alunite. Potom se iz ovih ruda dobija glinica, a iz nje se čisti aluminijum dobija složenim hemijskim i fizičkim procesima.

GOST 11069 utvrđuje zahtjeve za razrede primarnog aluminija, koje treba označiti nanošenjem vertikalnih i horizontalnih pruga neizbrisivom bojom različitih boja. Ovaj materijal je pronađen široka primena u naprednim industrijama, uglavnom u kojima se od sirovina traže visoke tehničke karakteristike.

tehnički aluminijum

Tehničkim aluminijumom se naziva materijal sa procentom stranih nečistoća manjim od 1%. Vrlo često se naziva i nelegiranim. Tehničke klase aluminija prema GOST 4784-97 karakteriziraju vrlo niska čvrstoća, ali visoka otpornost na koroziju. Zbog odsustva legirajućih čestica u sastavu, na površini metala se brzo formira zaštitni oksidni film koji je stabilan.

Vrste tehničkog aluminija odlikuju se dobrom toplinskom i električnom provodljivošću. U njihovoj molekularnoj rešetki praktički nema nečistoća koje raspršuju tok elektrona. Zbog ovih svojstava, materijal se aktivno koristi u izradi instrumenata, u proizvodnji opreme za grijanje i izmjenu topline, te rasvjetnih predmeta.

Kovani aluminijum

Kovani aluminij je materijal koji je podvrgnut vrućim i rad na hladnom pritisak: valjanje, prešanje, izvlačenje i druge vrste. Kao rezultat plastičnih deformacija, iz njega se dobivaju poluproizvodi različitih uzdužnih presjeka: aluminijska šipka, lim, traka, ploča, profili i drugi.

Navedene su glavne marke deformabilnih materijala koji se koriste u domaćoj proizvodnji normativni dokumenti: GOST 4784, OCT1 92014-90, OCT1 90048 i OCT1 90026. karakteristična karakteristika deformabilna sirovina je struktura čvrstog rastvora sa visokim sadržajem eutektičko-tečne faze, koja je u ravnoteži sa dva ili više čvrstih agregatnih stanja.

Opseg kovanog aluminijuma, kao i onaj gde se koristi aluminijumska šipka, prilično je obiman. Koristi se i u područjima koja zahtijevaju visoke zahtjeve specifikacije od materijala - u brodogradnji i vazduhoplovstvu, te na gradilištima kao legura za zavarivanje.

Liveni aluminijum

Za proizvodnju profiliranih proizvoda koriste se lijevani aluminij. Njihova glavna karakteristika je kombinacija visoke specifične čvrstoće i male gustoće, što omogućava livenje proizvoda složenih oblika bez pucanja.

Prema svojoj namjeni, ljevaonice se uvjetno dijele u grupe:

1. Visoko hermetički materijali (AL2, AL9, AL4M).
2. Materijali visoke čvrstoće i otpornosti na toplotu (AL 19, AL5, AL33).
3. Tvari sa visokom otpornošću na koroziju.

Često karakteristike performansi proizvodi od livenog aluminijuma se povećavaju razne vrste termičku obradu.

aluminijum za deoksidaciju

Na kvalitet proizvedenih proizvoda utječu i fizička svojstva aluminija. A upotreba materijala niskog kvaliteta nije ograničena na stvaranje poluproizvoda. Vrlo često se koristi za deoksidaciju čelika - za uklanjanje kisika iz rastaljenog željeza, koje se u njemu otapa i time povećava mehanička svojstva metala. Za izvođenje ovog procesa najčešće korištene marke su AV86 i AV97F.

Trenutno, najčešći sistemi ilegalnih oružanih formacija na ruskom tržištu mogu se podijeliti u tri velike grupe:

• sistemi sa podlogom od aluminijskih legura;
• sistemi sa podkonstrukcijom od pocinkovanog čelika sa presvučen polimerom;
• sistemi sa podkonstrukcijom od nerđajućeg čelika.

Najbolju čvrstoću i toplinske performanse, naravno, imaju podložne strukture od nehrđajućeg čelika.

Komparativna analiza fizičkih i mehaničkih svojstava materijala

*Svojstva nerđajućeg čelika i pocinkovanog čelika se neznatno razlikuju.

Termičke karakteristike i karakteristike čvrstoće nerđajućeg čelika i aluminijuma

1. Sa 3 puta manjom nosivošću i 5,5 puta većom toplotnom provodljivošću aluminijuma, nosač od aluminijumske legure je jači "most hladnoće" od nosača od nerđajućeg čelika. Pokazatelj toga je koeficijent toplinske uniformnosti omotača zgrade. Prema istraživanjima, koeficijent toplotne ujednačenosti omotača zgrade kada se koristi sistem od nerđajućeg čelika bio je 0,86-0,92, a za aluminijumske sisteme 0,6-0,7, zbog čega je potrebno polaganje velike debljine izolacije i, shodno tome, povećanje cena fasade.

Za Moskvu, potrebna otpornost na prenos toplote zidova, uzimajući u obzir koeficijent toplotne uniformnosti, iznosi 3,13/0,92=3,4 (m2.°C)/W za nerđajući nosač, a 3,13/0,7= za aluminijumski nosač 4,47 (m 2 .°C) / W, tj. 1,07 (m 2 .°C) / W iznad. Dakle, kada se koriste aluminijumski nosači, debljina izolacije (sa koeficijentom toplotne provodljivosti od 0,045 W / (m. °C) treba uzeti skoro 5 cm više (1,07 * 0,045 = 0,048 m).

2. Zbog veće debljine i toplotne provodljivosti aluminijskih konzola, prema proračunima rađenim u Istraživačkom institutu za građevinsku fiziku, na vanjskoj temperaturi od -27°C temperatura na ankeru može pasti do -3,5°C i čak niže, jer. u proračunima je pretpostavljeno da je površina poprečnog presjeka aluminijskog nosača 1,8 cm 2 , dok je u stvarnosti 4-7 cm 2 . Pri korištenju nosača od nehrđajućeg čelika temperatura na sidru je bila +8 °C. Odnosno, kada se koriste aluminijski nosači, anker radi u zoni naizmjeničnih temperatura, gdje je moguća kondenzacija vlage na ankeru, praćena smrzavanjem. To će postupno uništiti materijal konstrukcijskog sloja zida oko ankera i shodno tome smanjiti njegovu nosivost, što je posebno važno za zidove od materijala niske nosivosti (pjenasti beton, šuplja cigla i sl.). Istovremeno, termoizolacioni jastučići ispod nosača, zbog svoje male debljine (3-8 mm) i visoke (u odnosu na izolaciju) toplotne provodljivosti, smanjuju gubitke toplote za samo 1-2%, tj. praktički ne razbijaju "most hladnoće" i malo utiču na temperaturu sidra.

3. Niska toplinska ekspanzija vodilica. Temperaturna deformacija legure aluminija je 2,5 puta veća od one kod nehrđajućeg čelika. Nerđajući čelik ima niži koeficijent termičke ekspanzije (10 10 -6 °C -1) u poređenju sa aluminijumom (25 10 -6 °C -1). U skladu s tim, izduženje vodilica od 3 metra s temperaturnom razlikom od -15 ° C do +50 ° C bit će 2 mm za čelik i 5 mm za aluminij. Stoga, da bi se kompenziralo toplinsko širenje aluminijske vodilice, potrebne su brojne mjere:

naime, uvođenje dodatnih elemenata u podsistem - pokretnih klizača (za nosače u obliku slova U) ili ovalne rupe sa čaurama za zakovice - ne kruta fiksacija (za nosače u obliku slova L).

To neminovno dovodi do složenosti i troškova podsistema ili pogrešne instalacije (jer se često dešava da instalateri ne koriste čahure ili pogrešno fiksiraju sklop dodatnim elementima).

Kao rezultat ovih mjera, opterećenje težine pada samo na nosače ležaja (gornje i donje), dok ostali služe samo kao oslonac, što znači da ankeri nisu ravnomjerno opterećeni i to se mora uzeti u obzir prilikom izrade. projektnu dokumentacijušto često jednostavno ne rade. U čeličnim sistemima cjelokupno opterećenje je ravnomjerno raspoređeno - svi čvorovi su kruto fiksirani - mala toplinska proširenja se kompenziraju radom svih elemenata u fazi elastične deformacije.

Dizajn stezaljke vam omogućava da napravite razmak između ploča u sistemima od nerđajućeg čelika od 4 mm, dok je u aluminijskim sistemima najmanje 7 mm, što, osim toga, ne odgovara mnogim kupcima i kvari izgled zgrada. Osim toga, stezaljka mora osigurati slobodno pomicanje obložnih ploča veličinom izduženja vodilica, inače će ploče biti uništene (posebno na spoju vodilica) ili će se stega odvojiti (što može dovesti do padanje obložnih ploča). U čeličnom sistemu ne postoji opasnost od savijanja steznih nogu, što se može dogoditi tokom vremena u aluminijumskim sistemima zbog velikih termičkih deformacija.

Vatrogasna svojstva nerđajućeg čelika i aluminijuma

Tačka topljenja nerđajućeg čelika je 1800°C, a aluminijuma 630/670°C (u zavisnosti od legure). Temperatura tokom požara na unutrašnjoj površini pločice (prema rezultatima ispitivanja Regionalnog centra za sertifikaciju “OPYTNOE”) dostiže 750 °C. Tako pri korištenju aluminijskih konstrukcija može doći do topljenja podkonstrukcije i urušavanja dijela fasade (u području otvora prozora), a na temperaturi od 800-900°C sam aluminij podržava izgaranje. Nerđajući čelik se, s druge strane, ne topi u vatri, pa je najpoželjniji za zahteve zaštite od požara. Na primjer, u Moskvi, kada se gradi višespratnica, aluminijske podkonstrukcije se uopće ne smiju koristiti.

Svojstva korozije

Do danas, jedini pouzdan izvor o otpornosti na koroziju određene podloge, a samim tim i trajnosti, je stručno mišljenje ExpertCorr-MISiS.

Najotpornije su konstrukcije od nehrđajućeg čelika. Vijek trajanja takvih sistema je najmanje 40 godina u urbanoj industrijskoj atmosferi srednje agresivnosti i najmanje 50 godina u uvjetno čistoj atmosferi niske agresivnosti.

Aluminijske legure, zbog oksidnog filma, imaju visoku otpornost na koroziju, ali u uvjetima visokog sadržaja klorida i sumpora u atmosferi može doći do brze intergranularne korozije, što dovodi do značajnog smanjenja čvrstoće strukturnih elemenata i njihovog uništenja. Dakle, vijek trajanja konstrukcije od aluminijske legure u urbanoj industrijskoj atmosferi srednje agresivnosti ne prelazi 15 godina. Međutim, prema zahtjevima Rosstroja, u slučaju upotrebe aluminijskih legura za izradu elemenata podkonstrukcije ilegalnih oružanih formacija, svi elementi moraju nužno imati eloksirani premaz. Prisustvo anodnog premaza produžava vijek trajanja potkonstrukcije od aluminijske legure. Ali prilikom ugradnje podkonstrukcije, njeni različiti elementi su povezani zakovicama, za koje se buše rupe, što uzrokuje narušavanje anodne prevlake u području pričvršćivanja, odnosno neizbježno se stvaraju područja bez anodizacije. Osim toga, čelično jezgro aluminijske zakovice, zajedno s aluminijskim medijem elementa, čini galvanski par, što također dovodi do razvoja aktivnih procesa interkristalne korozije na mjestima pričvršćivanja elemenata podkonstrukcije. Treba napomenuti da je često jeftinoća jednog ili drugog IAF sistema sa potkonstrukcijom od legure aluminijuma posledica upravo nedostatka zaštitnog anodnog premaza na elementima sistema. Beskrupulozni proizvođači ovakvih podkonstrukcija štede na skupim elektrohemijskim procesima za eloksiranje proizvoda.

Nedovoljnu otpornost na koroziju, u smislu trajnosti konstrukcije, ima pocinčani čelik. Ali nakon nanošenja polimernog premaza, vijek trajanja podkonstrukcije od pocinčanog čelika s polimernim premazom bit će 30 godina u urbanoj industrijskoj atmosferi srednje agresivnosti i 40 godina u uvjetno čistoj atmosferi niske agresivnosti.

Upoređujući navedene pokazatelje aluminijskih i čeličnih podkonstrukcija, možemo zaključiti da su čelične podkonstrukcije po svim aspektima znatno superiornije od aluminijskih.

1.2.1. opšte karakteristikečelika.Čelik je legura željeza i ugljika koja sadrži legirne aditive koji poboljšavaju kvalitetu metala, te štetne nečistoće koje ulaze u metal iz rude ili nastaju tokom procesa topljenja.

čelićna konstrukcija. U čvrstom stanju, čelik je polikristalno tijelo koje se sastoji od mnogo različito orijentiranih kristala (zrna). U svakom kristalu atomi (tačnije, pozitivno nabijeni ioni) su poređani u čvorovima prostorne rešetke. Čelik se odlikuje kubičnom kristalnom rešetkom usredsređenom na tijelo (bcc) i licem (fcc) (slika 1.4). Svako zrno kao kristalna formacija je oštro anizotropno i ima različita svojstva u različitim smjerovima. Sa velikim brojem različito orijentisanih zrna te se razlike izglađuju, statistički u prosjeku svojstva postaju ista u svim smjerovima, a čelik se ponaša kao kvazi-izotropno tijelo.

Struktura čelika zavisi od uslova kristalizacije, hemijski sastav, toplinska obrada i načini valjanja.

Temperatura topljenja čistog gvožđa je 1535°C, tokom stvrdnjavanja pojavljuju se kristali čistog gvožđa - ferita, tzv. A); na temperaturi od 1490 °C dolazi do rekristalizacije i 5-gvožđe prelazi u y-gvožđe sa rešetkom usredsređenom na lice (slika 1.4, b). Na temperaturi od 910°C i niže, kristali y-gvožđa ponovo se pretvaraju u tjelesno centrirane i to stanje se održava do normalne temperature. Posljednja modifikacija se zove a-iron.

Sa uvođenjem ugljika temperatura topljenja se smanjuje i za čelik sa udjelom ugljika od 0,2% iznosi približno 1520 °C. Prilikom hlađenja formira se čvrsta otopina ugljika u y-gvožđu, nazvana austenit, u kojoj se atomi ugljika nalaze u središtu fcc rešetke. Na temperaturama ispod 910 °C počinje raspadanje austenita. Rezultirajuće α-gvožđe sa bcc rešetkom (ferit) slabo otapa ugljenik. Kako se ferit oslobađa, austenit se obogaćuje ugljikom i na temperaturi od 723 °C pretvara se u perlit - mješavinu ferita i željeznog karbida Fe 3 C, koji se naziva cementit.

Rice. 1.4. Kubična kristalna rešetka:

A- usredsređen na telo;

b- centriran na lice

Dakle, pri normalnoj temperaturi čelik se sastoji od dvije glavne faze: ferita i cementita, koji formiraju nezavisna zrna, a također ulaze u perlit u obliku ploča (slika 1.5). Svetla zrna - ferit, tamna - perlit).

Ferit je vrlo plastičan i male čvrstoće, dok je cementit tvrd i krt. Perlit ima srednja svojstva između ferita i cementita. Ovisno o sadržaju ugljika, prevladava jedna ili druga strukturna komponenta. Veličina zrna ferita i perlita zavisi od broja kristalizacionih centara i uslova hlađenja i značajno utiče na mehanička svojstva čelika (što je finije zrno, to je kvalitet metala veći).

Aditivi legure, koji ulaze u čvrstu otopinu s feritom, ojačavaju je. Osim toga, neki od njih, formirajući karbide i nitride, povećavaju broj kristalizacijskih centara i doprinose stvaranju fino zrnate strukture.

Pod utjecajem toplinske obrade mijenjaju se struktura, veličina zrna i topljivost legirajućih elemenata, što dovodi do promjene svojstava čelika.

Najjednostavniji tip termičke obrade je normalizacija. Sastoji se od ponovnog zagrijavanja valjanog materijala do temperature formiranja austenita i naknadnog hlađenja na zraku. Nakon normalizacije čelična konstrukcija je uređenija, što dovodi do poboljšanja čvrstoće i plastičnih svojstava valjanog čelika i njegove udarne čvrstoće, kao i povećanja uniformnosti.

Brzim hlađenjem čelika zagrijanog na temperaturu koja prelazi temperaturu fazne transformacije, čelik se kaljuje.

Strukture nastale nakon stvrdnjavanja daju čeliku visoku čvrstoću. Međutim, njegova duktilnost se smanjuje, a sklonost krtom lomu se povećava. Da bi se kontrolisala mehanička svojstva kaljenog čelika i formirala željena struktura, on se kaljuje, tj. zagrijavanje do temperature na kojoj dolazi do željene strukturne transformacije, zadržavanje na toj temperaturi potrebno vrijeme i zatim sporo hlađenje 1 .

Prilikom valjanja, kao rezultat kompresije, struktura čelika se mijenja. Dolazi do oplemenjivanja zrna i njihove različite orijentacije duž i popreko valjanog proizvoda, što dovodi do određene anizotropije svojstava. Temperatura valjanja i brzina hlađenja takođe imaju značajan uticaj. Pri visokoj brzini hlađenja moguće je formiranje očvrsnih struktura, što dovodi do povećanja svojstava čvrstoće čelika. Što je valjani proizvod deblji, to je niži stepen redukcije i brzina hlađenja. Stoga, s povećanjem debljine valjanih proizvoda, karakteristike čvrstoće se smanjuju.

Dakle, variranjem hemijskog sastava, načina valjanja i termičke obrade, moguće je promijeniti strukturu i dobiti čelik željene čvrstoće i drugih svojstava.

Klasifikacija čelika. Prema svojstvima čvrstoće čelika, uvjetno se dijele u tri grupe: obične (<29 кН/см 2), повышенной ( = 29...40 кН/см 2) и высокой прочности ( >40 kN/cm2).

Povećanje čvrstoće čelika postiže se legiranjem i termičkom obradom.

Prema hemijskom sastavu čelici se dijele na čelike od legure ugljika. Ugljični čelici običnog kvaliteta sastoje se od željeza i ugljika s nekim

dodatak silicijuma (ili aluminijuma) i mangana. Ostali aditivi se ne unose posebno i mogu dospjeti u čelik iz rude (bakar, krom itd.).

Ugljik (U) 1, povećavajući čvrstoću čelika, smanjuje njegovu duktilnost i narušava zavarljivost, stoga se za izgradnju metalnih konstrukcija koriste samo čelici s niskim udjelom ugljika s udjelom ugljika ne većim od 0,22%.

Sastav legiranih čelika, osim željeza i ugljika, uključuje posebne aditive koji poboljšavaju njihovu kvalitetu. Budući da većina aditiva u određenoj mjeri pogoršava zavarljivost čelika i povećava njegovu cijenu, u građevinarstvu se uglavnom koriste niskolegirani čelici s ukupnim sadržajem legirajućih aditiva ne većim od 5%.

Glavni aditivi za legiranje su silicijum (C), mangan (G), bakar (D), hrom (X), nikl (H), vanadijum (F), molibden (M), aluminijum (Yu), azot (A).

Silicijum deoksidira čelik, tj. veže višak kiseonika i povećava njegovu čvrstoću, ali smanjuje duktilnost, pogoršava zavarljivost i otpornost na koroziju pri povećanom sadržaju. Štetno djelovanje silicija može se nadoknaditi povećanim sadržajem mangana.

Mangan povećava snagu, dobar je deoksidant i, u kombinaciji sa sumporom, smanjuje njegovo štetno dejstvo. Sa sadržajem mangana većim od 1,5%, čelik postaje lomljiv.

Bakar neznatno povećava čvrstoću čelika i povećava njegovu otpornost na koroziju. Višak bakra (više od 0,7%) doprinosi starenju čelika i povećava njegovu lomljivost.

Krom i nikal povećavaju čvrstoću čelika bez smanjenja duktilnosti i poboljšavaju njegovu otpornost na koroziju.

Aluminij dobro deoksidira čelik, neutralizira štetno djelovanje fosfora i povećava otpornost na udar.

Vanadijum i molibden povećavaju čvrstoću gotovo bez smanjenja duktilnosti i sprečavaju slabljenje termički obrađenog čelika tokom zavarivanja.

Azot u nevezanom stanju doprinosi starenju čelika i čini ga krhkim, tako da ne bi trebalo da bude više od 0,009%. U hemijski vezanom stanju sa aluminijumom, vanadijumom, titanijumom i drugim elementima, formira nitride i postaje legirajući element, pomažući da se dobije fino zrnasta struktura i poboljša mehanička svojstva.

Fosfor je štetna nečistoća, jer formiranjem čvrste otopine s feritom povećava lomljivost čelika, posebno na niskim temperaturama (hladnolomnost). Međutim, u prisustvu aluminija, fosfor može poslužiti kao legirajući element koji povećava otpornost čelika na koroziju. Ovo je osnova za dobivanje čelika otpornih na vremenske uvjete.

Sumpor zbog stvaranja željeznog sulfida niskog taljenja čini čelik crveno-krhkim (sklon pucanju na temperaturi od 800-1000 °C). Ovo je posebno važno za zavarene konstrukcije. Štetno djelovanje sumpora se smanjuje povećanim sadržajem mangana. Sadržaj sumpora i fosfora u čeliku je ograničen i ne smije prelaziti 0,03 - 0,05%, u zavisnosti od vrste (grade) čelika.

Na mehanička svojstva čelika negativno utječe zasićenje plinovima koji iz atmosfere mogu ući u metal u rastopljenom stanju. Kisik djeluje poput sumpora, ali u većoj mjeri, i povećava lomljivost čelika. Slobodni dušik također smanjuje kvalitetu čelika. Vodik, iako zadržan u neznatnoj količini (0,0007%), ali, koncentrišući se u blizini inkluzija u interkristalnim područjima i lociran uglavnom duž granica zrna, uzrokuje visoke napone u mikrovolumenima, što dovodi do smanjenja otpornosti čelika na lomljiv lom, smanjenja u zateznoj čvrstoći i pogoršanju plastičnih svojstava. Stoga, rastopljeni čelik (na primjer, tijekom zavarivanja) mora biti zaštićen od utjecaja atmosfere.

U zavisnosti od vrste snabdevanja, čelici se dele na toplo valjane i termički obrađene (normalizovane ili termički poboljšane). U toplo valjanom stanju čelik nema uvijek optimalan skup svojstava. Tokom normalizacije, struktura čelika se rafinira, povećava se njegova uniformnost i povećava žilavost, ali nema značajnog povećanja čvrstoće. Toplinska obrada (kaljenje u vodi i kaljenje na visoke temperature) omogućava dobijanje čelika visoke čvrstoće koji dobro odolijevaju krtom lomu. Troškovi toplinske obrade čelika mogu se značajno smanjiti ako se kaljenje izvodi direktno iz kotrljajućeg zagrijavanja.

Čelik koji se koristi u izgradnji metalnih konstrukcija uglavnom se proizvodi na dva načina: u otvorenim pećima i u konvertorima pjeskarenim kisikom. Svojstva čelika otvorenog ložišta i čelika za konvertiranje kisika su gotovo ista, međutim, metoda proizvodnje kisikom-konverterom je mnogo jeftinija i postupno zamjenjuje otvoreni čelik. Za najkritičnije dijelove, gdje su posebni visoka kvaliteta metala, koriste se i čelici dobijeni elektrozgurom (ESR). Razvojem elektrometalurgije moguća je šira primjena u konstrukciji čelika dobivenih u električnim pećima. Elektrostal se odlikuje niskim sadržajem štetnih nečistoća i visokim kvalitetom.

Prema stepenu deoksidacije čelici mogu biti kipući, polumirni i mirni.

Nedeoksidirani čelici ključaju kada se izlije u kalupe zbog evolucije plinova. Takav čelik se naziva kipući čelik i ispada da je više zagađen plinovima i manje homogen.

Mehanička svojstva neznatno se mijenja po dužini ingota zbog neravnomjerne raspodjele hemijski elementi. To posebno vrijedi za dio glave, koji se ispostavlja najlabaviji (zbog skupljanja i najveće zasićenosti plinovima), u njemu dolazi do najveće segregacije štetnih nečistoća i ugljika. Zbog toga se od ingota odsiječe neispravan dio, što je otprilike 5% mase ingota. Čelici koji ključaju, koji imaju prilično dobru granicu tečenja i vlačnu čvrstoću, manje su otporni na krt lom i starenje.

Da bi se poboljšao kvalitet niskougljičnog čelika, deoksidira se dodatkom silicija od 0,12 do 0,3% ili aluminija do 0,1%. Silicijum (ili aluminijum), u kombinaciji sa rastvorenim kiseonikom, smanjuje njegovo štetno dejstvo. U kombinaciji s kisikom, deoksidansi formiraju silikate i aluminate u fino dispergiranoj fazi, koji povećavaju broj kristalizacijskih centara i doprinose formiranju finozrnate čelične strukture, što dovodi do povećanja njegove kvalitete i mehaničkih svojstava. Deoksidirani čelici ne ključaju kada se izlije u kalupe, pa se nazivaju mirni čelici. Dio od oko 15% je odsječen od glavnog dijela ingota mirnog čelika. Tihi čelik je ujednačeniji, bolje zavari i bolje je otporan na dinamičke udare i lomljiv lom. Tihi čelici se koriste u proizvodnji kritičnih konstrukcija koje su podvrgnute dinamičkim utjecajima.

Međutim, mirni čelici su oko 12% skuplji od čelika koji ključaju, što ih prisiljava da ograniče upotrebu i pređu, kada je to povoljno iz tehničkih i ekonomskih razloga, na izradu konstrukcija od polumirnog čelika.

Polumirni čelik je srednjeg kvaliteta između ključanja i mirovanja. Deoksidira se manjom količinom silicijuma - 0,05 - 0,15% (rjeđe aluminijum). Od glave ingota se odsiječe manji dio, jednak oko 8% mase ingota. Što se tiče cijene, polutihi čelici također zauzimaju srednju poziciju. Niskolegirani čelici se isporučuju uglavnom u tihoj (rijetko polutihi) modifikaciji.

1.2.2. Standardizacija čelika. Glavni standard koji reguliše karakteristike čelika za izgradnju metalnih konstrukcija je GOST 27772 - 88. Prema GOST-u, profilirani čelik se izrađuje od čelika 1 C235, C245, C255, C275, C285, C345, C345K, C375, za limove i univerzalne valjane proizvode i savijene profile, čelik C390, C490K, C390, C3400K C590K se također koriste. Čelici C345, C375, C390 i C440 mogu se isporučiti sa većim sadržajem bakra (radi povećanja otpornosti na koroziju), dok se oznaci čelika dodaje slovo „D“.

Hemijski sastav čelika i mehanička svojstva prikazani su u tabeli. 1.2 i 1.3.

Valjani proizvodi se mogu isporučiti u toplovaljanom i termički obrađenom stanju. Izbor hemijskog sastava i vrste termičke obrade određuje postrojenje. Glavna stvar je osigurati potrebna svojstva. Tako se čelični limovi C345 mogu napraviti od čelika C245 uz termičko poboljšanje. U ovom slučaju, oznaci čelika dodaje se slovo T, na primjer C345T.

U zavisnosti od radne temperature konstrukcija i stepena opasnosti od krtog loma, ispitivanja čvrstoće na udar za čelike C345 i C375 provode se na različitim temperaturama, pa se isporučuju u četiri kategorije, a oznaci čelika dodaje se broj kategorije, na primjer C345-1; C345-2.

Normalizovane karakteristike za svaku kategoriju date su u tabeli. 1.4.

Najam se isporučuje u serijama. Šarža se sastoji od valjanih proizvoda iste veličine, jedne kutlače za topljenje i jednog načina termičke obrade. Prilikom provjere kvaliteta metala, iz serije se nasumično biraju dva uzorka.

Od svakog uzorka izrađuje se po jedan uzorak za ispitivanje na zatezanje i savijanje i dva uzorka za određivanje udarne čvrstoće na svakoj temperaturi. Ako rezultati ispitivanja ne ispunjavaju zahtjeve GOST-a, izvršite

ponovljeni testovi na duplo većem broju uzoraka. Ako su ponovljeni testovi pokazali nezadovoljavajuće rezultate, serija se odbija.

Zavarljivost čelika se procjenjuje ekvivalentom ugljika, %:

gdje je C, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P - maseni udio ugljika, mangana, silicijuma, hroma, nikla, bakra, vanadijuma i fosfora, %.

ako sa,<0,4%, то сварка стали не вызывает затруднений, при 0,4 %< С,< 0,55 % сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возник­новения трещины. При С э >0,55%, rizik od pucanja se dramatično povećava.

Da bi se provjerio kontinuitet metala i spriječilo raslojavanje, po potrebi se vrši ultrazvučno ispitivanje na zahtjev kupca.

Prepoznatljiva karakteristika GOST 27772 - 88 je upotreba statističkih metoda kontrole za neke čelike (C275, C285, C375), što jamči pružanje standardnih vrijednosti granice popuštanja i vlačne čvrstoće.

Građevinske metalne konstrukcije su takođe izrađene od čelika koji se isporučuje u skladu sa GOST 380 - 88 "Ugljični čelik običnog kvaliteta", GOST 19281 -73 "Niskolegirani profilni i profilisani čelik", GOST 19282 - 73 "Niskolegirani čelični pločasti i širokopojasni univerzalni" i drugim standardima.

Ne postoje fundamentalne razlike između svojstava čelika koji imaju isti hemijski sastav, ali se isporučuju prema različitim standardima. Razlika je u metodama kontrole i notacije. Dakle, prema GOST 380 - 88 s promjenama u oznaci razreda čelika, naznačena je grupa isporuke, metoda deoksidacije i kategorija.

Kada se isporučuje u grupi A, postrojenje garantuje mehanička svojstva, u grupi B - hemijski sastav, u grupi C - mehanička svojstva i hemijski sastav.

Stepen deoksidacije je označen slovima KP (ključanje), SP (mirno) i PS (polumirno).

Kategorija čelika označava vrstu ispitivanja udarne čvrstoće: kategorija 2 - ispitivanja čvrstoće na udar se ne provode, 3 - izvode se na temperaturi od +20 ° C, 4 - na temperaturi od -20 ° C, 5 - na temperatura od -20°C i nakon mehaničkog starenja, 6 - nakon mehaničkog starenja.

U građevinarstvu se uglavnom koriste čelici VstZkp2, VstZpsb i VstZsp5, kao i čelik sa visokim sadržajem mangana VstZGps5.

Prema GOST 19281-73 i GOST 19282 - 73, sadržaj glavnih elemenata naznačen je u oznaci razreda čelika. Na primjer, hemijski sastav čelika 09G2S dešifruje se na sljedeći način: 09 - sadržaj ugljika u stotim dijelovima procenta, G2 - mangan u količini od 1 do 2%, C - silicijum do 1 %.

Na kraju razreda čelika navedena je kategorija, tj. vrsta testa udara. Za niskolegirane čelike utvrđeno je 15 kategorija, ispitivanja se provode na temperaturama do -70 ° C. Čelici koji se isporučuju prema različitim standardima su međusobno zamjenjivi (vidi tabelu 1.3).

Svojstva čelika zavise od hemijskog sastava sirovine, načina topljenja i zapremine talionih jedinica, redukcione sile i temperature tokom valjanja, uslova hlađenja gotovih valjanih proizvoda itd.

Uz toliku raznolikost faktora koji utječu na kvalitetu čelika, sasvim je prirodno da pokazatelji čvrstoće i drugih svojstava imaju određeni raspon i mogu se smatrati slučajnim varijablama. Ideju o varijabilnosti karakteristika daju histogrami statističke distribucije koji pokazuju relativnu proporciju (učestalost) određene vrijednosti karakteristike.

1.2.4 Čelici visoke čvrstoće(29 kN / cm 2< <40 кН/см 2). Стали повышенной прочности (С345 - С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих
aditivi, uglavnom mangan i silicijum, rjeđe nikal i krom, ili toplinski ojačani
niskougljični čelik (C345T).

U ovom slučaju, duktilnost čelika se donekle smanjuje, a dužina granice popuštanja smanjuje se na 1-1,5%.

Čelici visoke čvrstoće zavaruju se nešto lošije (posebno čelici s visokim sadržajem silicija) i ponekad zahtijevaju primjenu posebnih tehnoloških mjera kako bi se spriječilo stvaranje vrućih pukotina.

Što se tiče otpornosti na koroziju, većina čelika ove grupe je bliska niskougljičnim čelicima.

Čelici sa visokim sadržajem bakra (S345D, S375D, S390D) imaju veću otpornost na koroziju.

Finozrna struktura niskolegiranih čelika pruža znatno veću otpornost na krt lom.

Visoka vrijednost udarne čvrstoće održava se na temperaturi od -40 °C i niže, što omogućava korištenje ovih čelika za konstrukcije koje se koriste u sjevernim regijama. Zbog većih svojstava čvrstoće, upotreba čelika visoke čvrstoće dovodi do uštede metala i do 20-25%.

1.2.5 Čelici visoke čvrstoće(>40 kN/cm2). Valjani čelik visoke čvrstoće
(S440 -S590) dobija se, po pravilu, legiranjem i termičkom obradom.

Za legiranje se koriste elementi koji tvore nitride, koji doprinose formiranju fino zrnate strukture.

Čelici visoke čvrstoće možda nemaju granicu tečenja (kada je o > 50 kN/cm 2 ), a njihova duktilnost (izduženje) je smanjena na 14% ili manje.

Omjer se povećava na 0,8 - 0,9, što ne dozvoljava uzimanje u obzir plastičnih deformacija pri proračunu konstrukcija izrađenih od ovih čelika.

Odabir hemijskog sastava i načina termičke obrade omogućava značajno povećanje otpornosti na krto lomljenje i pruža visoku udarnu čvrstoću na temperaturama do -70 °C. Određene poteškoće se javljaju u proizvodnji konstrukcija. Visoka čvrstoća i niska duktilnost zahtijevaju snažniju opremu za rezanje, ravnanje, bušenje i druge operacije.

Pri zavarivanju termički obrađenih čelika zbog neravnomjernog zagrijavanja i brzog hlađenja dolazi do različitih strukturnih transformacija u različitim zonama zavarenog spoja. U nekim područjima se formiraju strukture otvrdnjavanja koje imaju povećanu čvrstoću i lomljivost (tvrdi međuslojevi), u drugim je metal podvrgnut visokom kaljenju i ima smanjenu čvrstoću i visoku duktilnost (meki međuslojevi).

Omekšavanje čelika u zoni blizu zavara može doseći 5-30%, što se mora uzeti u obzir pri projektovanju zavarenih konstrukcija od termički obrađenih čelika.

Uvođenje nekih karbidotvornih elemenata (molibden, vanadij) u sastav čelika smanjuje učinak omekšavanja.

Upotreba čelika visoke čvrstoće dovodi do uštede metala do 25-30% u odnosu na konstrukcije izrađene od niskougljičnih čelika i posebno je preporučljiva u konstrukcijama velikog raspona i jako opterećenih konstrukcija.

1.2.6 Čelici otporni na vremenske uvjete. Za poboljšanje otpornosti metala na koroziju
kalnih struktura, koriste se niskolegirani čelici, koji sadrže u malom
količina (u procentima) elemenata kao što su hrom, nikl i bakar.

U konstrukcijama izloženim atmosferskim utjecajima, čelici s dodatkom fosfora (na primjer čelik S345K) su vrlo učinkoviti. Na površini takvih čelika formira se tanak oksidni film, koji ima dovoljnu čvrstoću i štiti metal od korozije. Međutim, zavarljivost čelika u prisustvu fosfora se pogoršava. Osim toga, u valjanim proizvodima velikih debljina metal ima smanjenu otpornost na hladnoću, pa se preporučuje upotreba čelika S345K za debljine ne veće od 10 mm.

Valjani limovi se široko koriste u konstrukcijama koje kombiniraju funkcije nosivosti i zatvaranja (na primjer, membranski premazi). Da bi se povećala izdržljivost takvih konstrukcija, preporučljivo je koristiti nehrđajući čelik od kroma OH18T1F2, koji ne sadrži nikal. Mehanička svojstva čelika OH18T1F2:

50 kN/cm2, = 36 kN/cm2, >33 %. Pri velikim debljinama, valjani proizvodi od kromiranih čelika imaju povećanu lomljivost, međutim, svojstva tankolistnih valjanih proizvoda (posebno debljine do 2 mm) omogućuju njihovu primjenu u konstrukcijama na projektnim temperaturama do -40 °C.

1.2.7. Izbor čelika za izgradnju metalnih konstrukcija. Izbor čelika vrši se na osnovu varijantnog dizajna i tehničko-ekonomske analize, uzimajući u obzir preporuke standarda. Kako bi se pojednostavilo naručivanje metala, pri odabiru čelika treba težiti većem objedinjavanju konstrukcija, smanjenju broja čelika i profila. Izbor čelika ovisi o sljedećim parametrima koji utječu na performanse materijala:

temperatura okoline u kojoj se konstrukcija montira i radi. Ovaj faktor uzima u obzir povećani rizik od krtog loma na niskim temperaturama;

priroda opterećenja, koja određuje posebnost rada materijala i konstrukcija pod dinamičkim, vibracijskim i promjenjivim opterećenjima;

tip stanja naprezanja (jednoosna kompresija ili napetost, ravninsko ili zapreminsko naponsko stanje) i nivo naprezanja koji nastaje (teško ili lagano opterećeni elementi);

način spajanja elemenata kojim se utvrđuje nivo unutrašnjih naprezanja, stepen koncentracije napona i svojstva materijala u zoni spajanja;

debljina valjanih proizvoda koji se koriste u elementima. Ovaj faktor uzima u obzir promjenu svojstava čelika s povećanjem debljine.

U zavisnosti od uslova rada materijala, sve vrste konstrukcija su podeljene u četiri grupe.

TO prva grupa uključuju zavarene konstrukcije koje rade u posebno teškim uvjetima ili su direktno izložene dinamičkim, vibracijskim ili pokretnim opterećenjima (na primjer, kranske grede, grede radne platforme ili elementi nadvožnjaka koji direktno percipiraju opterećenje od željezničkog vozila, rešetkastih podmetača, itd.). Naponsko stanje takvih konstrukcija karakterizira visoki nivo i visoka frekvencija opterećenja.

Konstrukcije prve grupe rade u najtežim uvjetima, što doprinosi mogućnosti njihovog krtog ili zamornog loma, pa se za ove konstrukcije postavljaju najviši zahtjevi prema svojstvima čelika.

Co. druga grupa uključuju zavarene konstrukcije koje rade pod statičkim opterećenjem kada su izložene jednoosnom i nedvosmislenom biaksijalnom polju zateznog naprezanja (na primjer, rešetke, prečke okvira, podne i krovne grede i drugi zategnuti, zategnuti i savijajući elementi), kao i konstrukcije od prva grupa u nedostatku zavarenih spojeva.

Zajedničko za strukture ove grupe je povećan rizik od krtog loma povezan sa prisustvom polja zateznog naprezanja. Vjerojatnost kvara od zamora ovdje je manja nego za konstrukcije prve grupe.

TO treća grupa uključuju zavarene konstrukcije koje djeluju pod dominantnim djelovanjem tlačnih naprezanja (na primjer, stupovi, nosači, nosači opreme i drugi komprimirani i komprimirano-savijeni elementi), kao i konstrukcije druge grupe u odsustvu zavarenih spojeva.

TO četvrta grupa uključuju pomoćne konstrukcije i elemente (veze, drvene elemente, stepenice, ograde itd.), kao i konstrukcije treće grupe u nedostatku zavarenih spojeva.

Ako je za konstrukcije treće i četvrte skupine dovoljno ograničiti se na zahtjeve za čvrstoćom pri statičkim opterećenjima, onda je za konstrukcije prve i druge skupine važno procijeniti otpornost čelika na dinamičke učinke i krhki lom.

Kod materijala za zavarene konstrukcije, zavarljivost se mora procijeniti. Zahtjevi za konstrukcijskim elementima koji nemaju zavarene spojeve mogu se smanjiti, jer odsustvo polja naprezanja zavarivanja, niža koncentracija naprezanja i drugi faktori poboljšavaju njihove performanse.

Unutar svake grupe konstrukcija, ovisno o radnoj temperaturi, čelici podliježu zahtjevima za udarnu čvrstoću na različitim temperaturama.

Standardi sadrže listu čelika u zavisnosti od grupe konstrukcija i klimatskog regiona izgradnje.

Konačan izbor čelika unutar svake grupe trebao bi biti napravljen na osnovu poređenja tehničkih i ekonomskih pokazatelja (potrošnja čelika i cijena konstrukcija), kao i uzimajući u obzir red metala i tehnološke mogućnosti proizvođača. . U kompozitnim konstrukcijama (na primjer, kompozitne grede, rešetke itd.), ekonomski je isplativo koristiti dva čelika: veću čvrstoću za jako opterećene elemente (pojasevi, grede) i manju čvrstoću za lagano opterećene elemente (rešetkaste rešetke, zidovi greda). ).

1.2.8. legure aluminijuma. Aluminij se po svojim svojstvima značajno razlikuje od čelika. Njegova gustina \u003d 2,7 t / m 3, tj. skoro 3 puta manja od gustine čelika. Modul elastičnosti aluminijuma E=71 000 MPa, modul smicanja G= 27.000 MPa, što je oko 3 puta manje od modula uzdužne elastičnosti i modula smicanja čelika.

Aluminijum nema plato prinosa. Prava linija elastičnih deformacija direktno prelazi u krivulju elastično-plastičnih deformacija (slika 1.7). Aluminij je vrlo duktilan: izduženje na prekidu doseže 40 - 50%, ali je njegova čvrstoća vrlo niska: = 6 ... 7 kN / cm 2, a uvjetna granica popuštanja = 2 ... 3 kN / cm 2. Čisti aluminij se brzo prekriva jakim oksidnim filmom koji sprječava daljnji razvoj korozije.

Zbog vrlo niske čvrstoće komercijalno čistog aluminijuma građevinske konstrukcije koristi se dosta rijetko. Značajno povećanje čvrstoće aluminijuma postiže se legiranjem sa magnezijumom, manganom, bakrom, silicijumom. cink i neki drugi elementi.

Vlačna čvrstoća legiranog aluminijuma (aluminijumske legure), u zavisnosti od sastava aditiva za legiranje, je 2-5 puta veća od komercijalno čistog; međutim, relativno izduženje je 2-3 puta manje. Sa povećanjem temperature, čvrstoća aluminijuma opada i na temperaturama iznad 300°C je blizu nule (vidi sliku 1.7).

Karakteristika brojnih višekomponentnih legura A1 - Mg - Si, Al - Si - Mg, Al - Mg - Zn je njihova sposobnost daljeg povećanja čvrstoće tokom starenja nakon termičke obrade; takve legure nazivaju se termički otvrdljivim.

Zatezna čvrstoća nekih legura visoke čvrstoće (Al - Mg - Zn sistemi) nakon termičke obrade i vještačkog starenja prelazi 40 kN/cm 2, dok je relativno istezanje samo 5-10%. Toplinska obrada legura dvostrukog sastava (Al-Mg, Al-Mn) ne dovodi do stvrdnjavanja, takve legure se nazivaju termički neočvrsle.

Povećanje uvjetne granice popuštanja proizvoda od ovih legura za 1,5-2 puta može se postići hladnom deformacijom (radnim otvrdnjavanjem), dok se istezanje također značajno smanjuje. Treba napomenuti da su pokazatelji svih glavnih fizička svojstva legure, bez obzira na sastav legirajućih elemenata i stanje, praktično se ne razlikuju od onih za čisti aluminij.

Otpornost legura na koroziju zavisi od sastava legirajućih aditiva, stanja isporuke i stepena agresivnosti spoljašnje sredine.

Poluproizvodi od aluminijskih legura izrađuju se u specijalizovanim pogonima: limovi i trake - valjanjem na viševaljačkim mlinovima; cijevi i profili - ekstruzijom na horizontalnim hidrauličkim prešama, što omogućava dobivanje profila najrazličitijih oblika poprečnog presjeka, uključujući i one sa zatvorenim šupljinama.

Na poluproizvodima koji se šalju iz pogona, naznačena je klasa legure i stanje isporuke: M - mekana (žarena); H - hladno obrađeno; H2 - poluotvrdnuto; T - očvrsnuo i prirodno odležao 3-6 dana na sobnoj temperaturi; T1 - očvršćen i veštački odležan nekoliko sati na povišenoj temperaturi; T4 - nije potpuno očvrsnuo i prirodno ostario; T5 - nije potpuno očvrsnuo i vještački ostario. Poluproizvodi koji se isporučuju bez prerade nemaju dodatnu oznaku.

Od velikog broja klasa aluminijuma, za upotrebu u građevinarstvu preporučuju se:

Termički kaljene legure: AD1 i AMtsM; AMg2M i AMg2MN2 (listovi); AMg2M (cijevi);

Termički kaljene legure: AD31T1; AD31T4 i AD31T5 (profili);

1915 i 1915T; 1925 i 1925T; 1935, 1935T, AD31T (profili i cijevi).

Sve navedene legure, s izuzetkom legure 1925T, koja se koristi samo za zakivane konstrukcije, dobro su zavarene. Legura za livenje AL8 se koristi za livene delove.

Aluminijske konstrukcije zbog male težine, otpornosti na koroziju, otpornosti na hladnoću, antimagnetnih svojstava, odsustva iskrenja, izdržljivosti i dobar izgled imaju široku perspektivu primene u mnogim oblastima građevinarstva. Međutim, zbog visoke cijene, upotreba aluminijskih legura u građevinskim konstrukcijama je ograničena.