Металлы в строительстве, металлические конструкции

где I₀ и I_k — длина образца до и после разрушения соответственно; F_o и F_k —площадь поперечного сечения образца до и после  разрушения (шейка).

Упругость — свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию.  Упругость — свойство, обратное пластичности.

Твердость — способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Производят испытание на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на  микротвердость. Наиболее распространенные первые два метода. 

Твердость, согласно этим методам, определяют следующим  образом.

По  Бринеллю — в испытуемый образец с определенной силой вдавливают закаленный стальной шарик диаметром D = 10,5 или 2,5 мм (рис.5.2). Число твердости по Бринеллю — НВ,  характеризуется отношением нагрузки Р, действующей на шарик, к поверхности отпечатка F, мм²:

 

HB= =  (5.7)

 

Значение НВ измеряют в кгс/мм² (в этом случае размерность часто не указывается) или в СИ — в МПа (1 кгс/мм²« 10 МПа). Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца.

Диаметр шарика D и нагрузку Р выбирают в зависимости от  материала и толщины образца. На практике определяют не F, а диаметр d отпечатка с помощью специальной лупы, имеющей шкалу. По  диаметру d отпечатка (лунки) из таблицы определяют твердость в НВ (в кгс/мм2). Этим методом определяют твердость незакаленных  поковок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката твердостью до НВ 450 (4500 МПа). При большей твердости шарик  деформируется.

По  Роквеллу — в испытуемый образец вдавливают специальный алмазный конус, угол вершины которого равен 120°, или закаленный стальной шарик диаметром 1,588 мм. В этом случае измеряют не диаметр отпечатка, а глубину вдавливания. Алмазный конус или стальной шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной в 10 кгс и основной в 90 кгс для стального шарика (шкала В), 140 кгс для алмазного конуса (шкала С) или 50 кгс для 340 алмазного конуса (шкала А) при испытании очень твердых и тонких образцов. После приложения предварительной нагрузки измеряют глубину вдавливания h₀, а после основной — А. За единицу твердости принята величина t, соответствующая осевому перемещению конуса (шарика) на 0,002 мм:

 

t=(h-h₀)/0,02 (5.8)

 

Числа твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:

 

HRB = 130 - t (шкала В) и HRC = 100 - t (шкалы С и А)   (5.9)

 

Вязкость — способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости.  Многие детали в процессе работы испытывают не только статические  нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомотивов и  вагонов на стыках рельсов. Удельное сопротивление удару — удельная ударная вязкость (испытание на ударный изгиб) α_н характеризуется работой, израсходованной на разрушение образца (рис.5.3). 

Значения ан вычисляют по формуле, (кгсм)/см² или кДж/м²:

 

α_н = А_н/F (5.10)

 

где А_н = G(H - h) — работа удара, измеряется в кгс-м или в Дж; G — вес маятника копра, кгс; Н — высота подъема маятника перед ударом, м; h — высота, на которую поднимается маятник с другой  стороны опор после удара, м (рис. 5.3 ); F — площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см² (на образцах Менаже F= 0,8 см²). 0,01(кг*см)/см² = 1(кгс*см)/см² = 1кДж/м².

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью. Значение α_н при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре. Для определения температуры перехода  металла от вязкого разрешения к хрупкому, называемой критической

Рис. 5.3 Схема маятникового копра (а) и положение

испытуемого образца  на опорах копра (б)

Рис. 5.4 Схема вязкого(1) и хрупкого (2)разрушения одного и того же

металла в зависимости  от температуры испытания

 

температурой хрупкости или порогом хладоломкости, строят график α_н =f(T) (рис.).

Температура при  испытании изменяется от комнатной до —100 °С. На рис. 5.4  обозначено: 1 — вязкое разрушение, 2 — хрупкое разрушение, Т_в — верхняя и Т_н — нижняя границы критического интервала, в котором характер излома изменяется от вязкого  волокнистого до хрупкого кристаллического. Обычно порогом хладоломкости считают среднюю температуру интервала (T_в-Т_н)/2.

Усталостная прочность. Некоторые детали (валы, шатуны, рессоры, пружины, рельсы и т. п.) в процессе эксплуатации  испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и  направлению (знаку). Под действием таких  знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют  усталостью металла, а образовавшиеся изломы — усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости, т. е. величину  наибольшего напряжения, которое металл может выдержать без  разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) N. Для  деталей из стали условно принято N = 5 и 10 млн, а из цветных сплавов — N = 20 млн циклов. Предел выносливости определяют на машинах с пульсирующим нагружением детали или с изгибом при вращении. Величина предела выносливости зависит от степени  загрязненности металла неметаллическими включениями, структуры металла, состояния поверхности, формы и размеров образца,  наклепа и др.

Износостойкость — сопротивление металлов изнашиванию вследствие процесса трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транспорта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности  отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали. Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей. [2]

6. Технико-экономические показатели

 

Оценка технико-экономической  эффективности процессов изготовлении металлических конструкций производится по следующим показателям:

 

- объему выпускаемой  продукции (в тоннах, по номенклатуре  и в денежном выражении) за  определенный период (месяц, год);

 

- съему продукции  с 1 квадратного метра производственной  площади;

 

- выходу годного;

 

- расходу энергии;

 

- себестоимости.

 

Технико-экономические  показатели зависят от правильности построения и степени механизации  и автоматизации технологического процесса, строгого соблюдения технологической дисциплины, организации производства.

Объем выпускаемой  продукции на данных площадях и оборудования можно увеличить за счет уменьшения его простоя, связанного с ремонтом, сменой, рабочего инструмента (прокатных валков, штампов), за счет механизации трудоемких работ, сокращения времени нагрева заготовок, организации непрерывных процессов обработки.

Своевременный ремонт оборудования, применения высокопрочных  износостойких материалов для изготовления валков прокатных станков, штампов, применения сказочно - охлаждающих средств и без окислительных методов нагрева позволяют повысить объем выпускаемой продукции.

Весьма важный показатель - выход годного - характеризует  использование металла в процессе производства и исчисляется как отношение расчетной массе исходной заготовки. Так как в себестоимости проката, поковок, штамповок и т.п. основная доля затрат падает на материалы, то главной задачей производства является максимальное сокращение отходов металла и приближение заготовок по форме, размерам и качеству поверхности к готовым изделиям.

В прокатном  производстве повышение выхода года годного достигается рациональным раскроем слитков, использованием слитков  непрерывной разливки, получением прокатных  профилей с минусовыми допусками.

В кузнечно-прессовом  производстве увеличение выхода годного  может быть достигнуто применением  электронагрева, рациональных форм заготовок, сочетанием ковки и штамповки  со сваркой (при изготовлении крупных  и сложных по форме поковок), оптимизация раскроя листового материала с помощью математических методов (линейного программирования).

 

Большие резервы  экономии металла заложены как в  самих процессах обработки металлов давлением, так и в последующем  использовании прокатной и кузнечно-прессовой продукции в народном хозяйстве.

За счет расширения сортамента простых профилей, производства новых экономических профилей и  выпуска проката с минусовыми допусками уже сэкономлено в  машиностроении 18-20% и в строительстве 9-11% проката черных металлов. [4]

Заключение

Таким образом, значение металлов и металлических конструкций в наше время огромное, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

Металлы относятся к числу наиболее используемых компонентов для создания конструкционных материалов.

Особенно важное значение имеют такие свойства металлических материалов, как прочность, пластичность, сопротивление усталости, износу, коррозии и т.д., что связано с их атомно-кристаллическим строением, которое в конечном итоге  определяется особенностями  межатомных связей энергетическим состоянием электронов, осуществляющих эту связь. Известно, что ряд свойств определяется не только положением в периодической системе и атомно-кристаллическим строением, но и дефектами кристаллического строения.

Большой интерес  представляют исследования, направленные на получение различных металлических материалов путем испарения и конденсации в вакууме в виде фольги или заготовок определенной формы, что представляется весьма перспективным для получения различных изделий из тугоплавких, жаропрочных и композиционных материалов для новой техники, которые невозможно изготовить по традиционным технологическим схемам.

Технический прогресс в народном хозяйстве и развитие ряда современных отраслей техники требуют создания не только новых конструкционных материалов (высокопрочных, коррозионно-стойких, износоустойчивых и др.), но и принципиально новых методов их обработки.

Наряду с  традиционными методами получения  чугуна и стали (доменный, мартеновский, конвертерный и другие процессы) в последние десятилетия в специальной металлургии внедряются прогрессивные, методы плавки и литья, такие, как элехтроплавка стали и других металлов, электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговая и электронно-лучевая-плавка, вакуумное рафинирование, непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. Большое значение придается также прямому восстановлению железа из руд.

В области металлообрабатывающей промышленности в последние годы наметился большой   прогресс. На смену традиционным металлорежущим станкам пришли высокопроизводительные и быстро переналаживаемые станки с программным управлением и обрабатывающие центры. На базе этих станков с использованием микропроцессорной техники и роботов создаются гибкие автоматизированные производства, что значительно повышает производительность и качество продукции. [1]

Список использованной литературы

 

1. Дриц М.  Е. , Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для вузов - М.: Высш. шк., 1990.

2. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов /— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2007.

3. http://www.nzmk48.ru/history.shtml

4. http://www.alhimik.ru/sprav/metallurg.htm

5. http://steelcast.ru/schem