Производство металлических изделий и конструкций
При изготовлении металлических изделий расплавленный чугун или сталь разливают по специальным формам, так называемым изложницам, а затем слитки металла от 500 кг до нескольких (иногда десятков) тонн подвергают дальнейшей обработке давлением или литьем, в результате которой получают изделия требуемых форм, размеров и свойств. Затем изделия соединяют в конструкцию с помощью сварки, клепки или болтов. Обработка давлением основана на высоких пластичных свойствах металла. На практике применяют следующие способы обработки металлов давлением: прокат, ковку, волочение, штамповку и прессование.
Прокат — наиболее распространенный и дешевый способ производства металлических изделий. Сущность проката заключается в обжатии металла между вращающимися валками, при этом заготовка уменьшается в сечении, вытягивается и приобретает форму, соответствующую валкам, если последние гладкие. Прокатывают металл в холодном и горячем состоянии. Холодный прокат применяют для металлов, обладающих высокой пластичностью (свинец, олово), или для получения тончайших стальных листов (по причине их быстрого остывания). Однако подавляющее большинство стальных изделий прокатывают в горячем состоянии при температуре 900—1250 °C. Обжатие стального слитка до требуемой формы и размера производят за несколько последовательных приемов путем пропуска его через ряд валков с уменьшающимся зазором. Способом прокатки получают большинство стальных строительных изделий: балки, рельсы, листовую и прутковую сталь, арматуру, трубы.
Ковка — процесс деформации металла под действием повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть свободная , когда металл при ударе молота имеет возможность свободно растекаться во все стороны, и штампованная , когда металл, растекаясь под ударами молота, заполняет формы штампов, а избыток его вытекает в специальную канавку и отрезается. Штамповка позволяет получить изделия очень точных размеров. В условиях строительства пользуются преимущественно свободной ковкой для изготовления различных деталей (болтов, скоб, анкеров), для пробивки отверстий, рубки и резки металла. Клепка также относится к операциям ковки. В настоящее время ковку производят посредством механических молотов.
Волочете заключается в протягивании металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате этого металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме отверстия. В качестве заготовки используют предварительно прокатанный или прессованный пруток или трубу. Волочение металла производят обычно в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют тонкостенные изделия (трубки), а также круглые, квадратные, шестиугольные прутки небольшой площади сечения (до 10 мм 2).
При волочении в металле появляется так называемый наклеп –упрочнение металла в результате пластической деформации. Наклеп повышает твердость стали, но снижает пластичность и вязкость. Явление наклепа вызывает старение стали – структурные изменения, повышающие ее хрупкость. Старение стали особенно опасно в конструкциях, подвергающихся ударной нагрузке (в железнодорожных мостах, рельсах, подкрановых балках). Однако явление наклепа широко используют на практике при механическом упрочнении арматурной стали для повышения предела текучести.
Холодное профилирование металла — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, они экономичнее профилей горячей прокатки – за счет сокращения толщины профиля до 2 мм.
Стальная арматура для железобетона
Арматуру, как уже упоминалось ранее, располагают главным образом в тех местах конструкции, которые подвергаются растягивающим усилиям (при изгибе, растяжении, внецентренном сжатии). Арматура является важнейшей составной частью железобетона; она должна надежно работать совместно с бетоном на всех стадиях службы изделия. С целью более рационального использования в качестве арматуры для железобетона применяют высокопрочные низколегированные стали или арматурную сталь подвергают механическому упрочнению или термической обработке.
Механическое упрочнение стали осуществляют путем волочения или скручивания. При волочениистержень проходит через коническое отверстие и обжимается. Вытяжку арматуры производят усилиями, превышающими предел текучести стали, при этом арматура несколько вытягивается. Способ упрочнения арматуры путем скручиванияее в холодном состоянии вокруг продольной оси имеет преимущества как в техническом, так и в экономическом отношении по сравнению с другими способами упрочнения арматуры. Механическое упрочнение изменяет структуру металла и способствует повышению предела текучести стали, который после упрочнения повышается почти на 30 %. Настолько же можно увеличить напряжение в арматуре железобетона или сэкономить металл, применив стержни меньшего сечения. Повышают качество арматурной стали также методом термической обработки : закалкой токами высокой частоты, изотермической закалкой, закалкой после нагрева электротоком и последующим отпуском и закалкой после нагрева в печи с отпуском.
Стержневая арматура бывает горячекатаной, термически упрочненной и упрочненной вытяжкой – подвергнутой после прокатки упрочнению вытяжкой в холодном состоянии.
Проволочная арматура подразделяется на арматурную проволоку и арматурные проволочные изделия. Арматурную проволокуразличают двух классов: холоднотянутую класса В-I (низкоуглеродистую), предназначенную для ненапрягаемой арматуры, и класса В-II (углеродистую), предназначенную для напрягаемой арматуры (высокопрочная арматурная проволока), а также Вр-I и Вр-II (буква «р» обозначает наличие периодического профиля).
Арматурные проволочные изделиябывают: а) нераскручивающиеся стальные арматурные пряди класса П (3, 7 и 19-проволочные), предназначенные для напрягаемой арматуры; количество проволок в прядях обозначается соответствующей цифрой, например П-7 (7-проволочная арматурная прядь); б) стальные арматурные канаты двух– и многопрядные класса К, предназначенные для напрягаемой арматуры; для обозначения типа арматурного каната к индексу К добавляют две цифры: первая из них соответствует количеству прядей, а вторая – количеству проволок в прядях, например, К219 – двухпрядный арматурный канат, каждая прядь которого состоит из 19 проволок; в) сварные арматурные сетки для ненапрягаемой арматуры; г) тканые или сварные проволочные сетки для армирования армоцементных конструкций. Проволочную арматуру выпускают диаметром 3–8 мм с пределом прочности от 1400 (для диаметра 8 мм) до 1900 МПа (для диаметра 3 мм), с пределом текучести соответственно 1120 и 1520 МПа.
Цветные металлы и их сплавы
Для получения строительных изделий высоких технических свойств широко применяют сплавы цветных металлов: алюминиевые, титановые, магниевые и др.
Алюминиевые сплавы , применяемые в строительстве, приближаясь по прочности к основным маркам строительных сталей, имеют небольшую плотность (2,7–2,9 т/м 3) и высокую стойкость к коррозии. Алюминиевые сплавы широко используют для изготовления проката в виде профилей: уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений. Они также применяются при изготовлении заклепок, болтов. Изделия из алюминиевых сплавов отличаются простотой технологии изготовления, хорошим внешним видом, сейсмостойкостью, хладостойкостью, огнестойкостью, антимагнитностью и долговечностью, что позволяет им успешно конкурировать со сталью и другими строительными материалами.
Алюминий в чистом виде обладает многими высокими техническими свойствами: хорошей сопротивляемостью коррозионным воздействиям среды, высокой электропроводностью, он пластичен, что позволяет легко изготовлять из него детали самого разнообразного и весьма сложного профиля. Недостатком алюминия является незначительная прочность – всего 70—100 МПа, что не позволяет его использовать для несущих строительных конструкций.
