Материаловедение в санитарно-технических системах

      ГТ. Широкий П.И. Юхневский М.Г. Бортницкая





                МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ




            В САНИТАРНО ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ


     Допущено Министерством образования
     Республики Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся учреждений, обеспечивающих получение профессионально-технического образования по учебной специальности «Санитарно-технические работы»















      Минск «Вышэйшая школа» 2009

УДК 691:696(075.32)
ББК 38.76я722
     Ш64




    Рецензенты: методическая комиссия Минского государственного профессионального лицея № 5 транспортного строительства» (И.В. Мали-шевская); заведующий кафедрой «Строительные конструкции, здания и сооружения» Белорусско-Российского университета доктор технических наук С.Д. Семенюк

    Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.





























ISBN 978-985-06-1683-8

        © Широкий Г.Т., Юхневский П.И., Бортницкая М.Г., 2009
                               © Издательство «Вышэйшая школа», 2009

        ПРЕДИСЛОВИЕ



   Материаловедение — учебная дисциплина, изучающая зависимости между составом, строением и свойствами материалов и закономерностями их изменения под воздействием различных факторов: тепловых, химических, механических и др. Ее задачей является установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и при эксплуатации, а также для создания материалов с заданными свойствами и прогнозирования срока их эксплуатации. Условно материаловедение можно подразделить на теоретическое и прикладное. Теоретическое материаловедение рассматривает общие закономерности строения материалов и процессы, происходящие в них при внешних воздействиях, прикладное — определение оптимальных структуры и технологии переработки материалов при изготовлении изделий и конструкций.
   Материаловедение является одной из основных дисциплин, определяющих уровень подготовки учащихся в профессионально-технических учебных заведениях страны. Значение ее определяется прежде всего широким диапазоном материалов, используемых практически во всех отраслях народного хозяйства. Знания, полученные в ходе изучения дисциплины, должны обеспечить в производственных процессах рациональное и эффективное использование материалов при соблюдении требований экономики, экологии и безопасности труда.
   В предлагаемом учебном пособии нашли отражение не только традиционные строительные материалы и изделия, применяемые в данной области, но и приведены сведения о материалах, которые только получают прописку на строительных рынках нашей страны. Наряду с металлическими, традиционно применяемыми в санитарно-технических системах, рассматриваются синтетические материалы (пластмассы). При этом основные характеристики строительных материалов и изделий, требования к ним, условия применения и способы защиты от воздействия внешней среды изложены с учетом новейших достижений в области строительства и нормативной базы, действующей на территории нашей страны. Кроме того, в целях устранения технических барьеров в международном

3

сотрудничестве в области строительства изложение учебного материала строилось с учетом европейских норм и стандартов.
   Учебное пособие написано в соответствии с учебной программой «Материаловедение (санитарно-технические работы)» для учащихся профессионально-технических училищ. Будет полезно учащимся средних специальных учебных заведений, студентам вузов.
   Авторы выражают огромную благодарность рецензентам — заведующему кафедрой «Строительные конструкции, здания и сооружения» Белорусско-Российского университета доктору технических наук С.Д. Семенюку и преподавателю спецпред-метов 1-й категории Минского государственного профессионального лицея № 5 И.В. Малишевской за высказанные замечания, которые способствовали улучшению содержания учебного пособия, а также доктору технических наук заведующему кафедрой «Технология бетона и строительные материалы» Белорусского национального технического университета Э.И. Батяновскому за полезные советы при обсуждении материалов рукописи.
   Замечания и предложения, улучшающие содержание учебного пособия «Материаловедение в санитарно-технических системах», просим присылать по адресу: кафедра «Технология бетона и строительные материалы», пр. Независимости, 65, 220027, Минск.

Авторы

        Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ



    1.1. Общее представление о строении металлов

   Определение и классификация металлов. Металлы являются одним из самых древних материалов, которые открыло человечество и начало широко использовать. Вначале это были самородные металлы — золото, серебро, медь. Позднее (с IV тыс. до н. э.) стали применять метеоритное железо. Плавка железа была изобретена египтянами примерно за 3550 лет до Рождества Христова. Добыча и обработка железной руды относятся ко II тыс. до н. э., а термин «металл» получил свое происхождение от греческого «metallon», обозначавшего копи, рудники.
   В настоящее время металлами (от лат. metallum — шахта) называют кристаллические вещества с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. К ним относится около 75 % элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева. Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.
   Характерные свойства металлов: плотная кристаллическая структура; высокая прочность; способность к значительным пластическим деформациям, что дает возможность обрабатывать их давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение); хорошие литейные свойства; свариваемость; выносливость; высокие тепло- и электропроводность; особый блеск, называемый металлическим, и др. Наличие этих свойств и характеризует металлическое состояние вещества. Неметаллы не обладают вышеперечисленными свойствами и резко отличаются по внешнему виду от металлов.
   Металлы условно (исторически) подразделяются на две группы: черные и цветные.
   К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь — содержание углерода до 2,14 %, чугун — от 2,5 до 4,5 % углерода и ферросплавы). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных (нежелезных) металлов.
   Наибольшее распространение в строительстве получили сплавы на основе черных металлов — железоуглеродистые (стали и чугуны). На их долю приходится около 95 % произво

5

димой в мире металлопродукции. Среди цветных металлов первое место по применению в строительстве занимают алюминиевые сплавы, далее — медь, бронза, латунь и др.
   Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину и др. Их называют так потому, что они практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей (рис. 1.1).
   Чистые металлы и сплавы. Чистые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. По степени чистоты различают металлы технической, высокой и особой чистоты.
   Однако чистые металлы в большинстве случаев обладают недостаточно высокими физическими, механическими и химическими свойствами и мало пригодны для технических целей. Их используют, как правило, только в тех случаях, когда к материалу предъявляются высокие требования в отношении тепло- и электропроводности, высокой температуры плавления и т.п. Например, чистые металлы используют при изготовлении проводов, кабелей, обмоток электрических машин и др.
   Для изменения свойств металлов в требуемом направлении их сплавляют с другими элементами. Такие соединения или системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и некоторых неметаллов, называют сплавами, а элементы, входящие в их состав, — компонентами. Например, латунь — сплав двух металлов (меди с цинком), бронза — сплав меди с оловом или другими элементами, углеродистая сталь и чугун — сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В настоящее время известно более 10 тыс. используемых в промышленности сплавов.
   По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпо-нентные (двойные или бинарные), трехкопонентные (тройные) и многокомпонентные.
   Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным, а компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, — легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.
   Сплавы тоже обладают всеми основными свойствами металлов, однако качественные характеристики их обычно резко отличаются от характеристик чистых исходных металлов и их можно регулировать. Например, сплав, содержащий 40 % кадмия и 60 % висмута, имеет температуру плавления 144 °С,

6

Сталь

Углеродистая нелегированная

Черные металлы и сплавы

Легирова-ванный

Легирова-ванный

Чугун

Ферросплав

Металлы и сплавы

Обыкновенный нелегированный

Редкие

  Титан

Вольфрам |

Молибден |

Цветные металлы и сплавы

Лепоте

Магний

Алюминий

Тяжелые

Олово

►I Цинк

      Свинец


Благородные

►[ Золото |

Платина

Серебро |

Низкоуглеродистая С = 0,25

Среднеуглеродистая С = 0,25 ...0,5%

Высокоуглеродистая С = 0,6%

Цирконий

Ртуть

Дюралюминий

>| Медь

Низколегированная
2,5%

Среднелегированная
2,5....10%

Высоколегированная 10%

Силумин

Рис. 1.1. Классификация металлов и сплавов

а температура плавления составляющих его компонентов — соответственно 321 и 271 °C, т.е. намного выше.
   Сплавы, как правило, превосходят чистые металлы по прочности, твердости, износостойкости, жаропрочности, обрабатываемости резанием, литейным свойствам и т.д. Поэтому сплавы применяются значительно шире чистых металлов. Однако в технике как чистые металлы, так и сплавы часто объединяют под общим термином «металлы».
   Строение металлов. Все металлы (за исключением ртути), полученные обычными способами, являются поликристалли-ческими телами, состоящими из различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Эти кристаллы называются зернами. При особых условиях металлы могут быть получены также в аморфном состоянии либо смешанной структуры.
   Поскольку металлы при нормальной температуре относятся к кристаллическим веществам, то образующие их элементарные частицы (атомы) в процессе кристаллизации из расплавленного (жидкого) состояния группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки. Кристаллические решетки представляют собой воображаемые пространственные сетки, в узлах которых расположены положительно заряженные ионы, а в промежутках между ними — легкоподвижные электроны. Атомы металлов способны легко отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Электроны, освободившиеся от атомов, непрерывно хаотически перемещаются по всему объему металла, подобно молекулам в газах. Поэтому их часто называют «электронным газом».
   Кристаллические решетки металлов могут быть нескольких типов. Наиболее распространены среди металлов и сплавов три типа кристаллических решеток: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Кубические решетки могут быть также тетрагональными. Для изображения кристаллической решетки пользуются упрощенными схемами (рис. 1.2).
   Как видно из рис. 1.2, а в объемно-центрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и один — в центре. Такая решетка характерна для a-железа, а-хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других металлов.

8

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток и схемы упаковки атомов металлов:
а — объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная

   В гранецентрированной кубической решетке (рис. 1.2, б) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Этот тип кристаллической решетки имеют металлы: медь, алюминий, свинец, у-железо, а-никель и др.
   В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. 1.2, в) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют цинк, магний, кадмий, а-цирконий и другие металлы.
   Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами периодов, под которыми понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Период решетки измеряется, как правило, в нанометрах (нм) и находится в пределах 0,1...0,7 нм (1 нм = 10⁻⁹ м). Может измеряться также в ангстремах (А) и составлять 1.7 А (1 А = 10⁻¹⁰ м).
   Однако точечное расположение атомов в узлах кристаллической решетки является условным. В действительности же атомы имеют определенные размеры и могут соприкасаться друг с другом внешними слоями электронных оболочек (см. рис. 1.2). При этом важной характеристикой кристалличе

9

ской решетки является ее плотность, т.е. объем, занятый атомами. Атомы при этом рассматриваются как жесткие шары.
   Плотность различных кристаллических решеток разная и характеризуется координационным числом — числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстояниях от одного, так называемого базисного атома. Чем больше координационное число решетки, тем выше плотность упаковки атомов. Например, для объемно-центрированной кубической решетки координационное число равно 8, а коэффициент заполнения (отношение объема, занятого атомами, к объему всей ячейки) равен 68 %. Для гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решеток координационное число равно 12. Последние являются наиболее компактными, и коэффициент заполнения в них (коэффициент компактности) составляет 74 %.
   В процессе затвердевания металлов и сплавов могут образовываться кристаллы различной формы, наиболее часто — разветвленные, или древовидные, получившие название дендри -тов. Они образуются в процессе медленной кристаллизации из расплавов. Их рост происходит в основном в направлении плоскостей с максимальной плотностью упаковки атомов, т.е. с минимальным межатомным расстоянием. После возникнове

ние. 1.3. Схема дендритного кристалла: 1 — ось первого порядка (главная ось); 2 — ось второго порядка; 3 — ось третьего порядка. Пунктиром показаны возможные направления роста кристалла

ния зародыша начинает расти ось первого порядка — главная ось будущего дендритного кристалла. После этого перпендикулярно или под некоторым углом к ней растут оси второго порядка, перпендикулярно к ним — оси третьего порядка и т.д. (рис. 1.3).
   Поскольку сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур, то состав кристаллов, образовавшихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава сплавов. Такая неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их

10