14.1. Podstawowe pojęcia, podział i dziedziny stosowania

Metalami nazywamy substancje, które w skondensowanych stanach skupienia (stałym i ciekłym) charakteryzują się bardzo dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, dużą plastycznością (zdolnością do odkształceń pod wpływem sił zewnętrznych bez zniszczenia spójności), specyficznym połyskiem oraz nieprzezroczystością, a ponadto w stanie stałym występują wyłącznie w formie krystalicznej. Do metali zalicza się około 80 pierwiastków chemicznych oraz stopy, tj. substancje składające się z dwu lub więcej pierwiastków i zachowujące wymienione wyżej główne właściwości stanu metalicznego.

Do celów praktycznych metale dzieli się na:

- metale i stopy żelazne, w których głównym składnikiem jest żelazo (stal, żeliwo ),

- metale i stopy nieżelazne, których podstawowy składnik stanowią np. aluminium, miedź, cyna itp.

Stosuje się także podział metali pod względem ich gęstości; metale o gęstości do 4,5 g/cmJ zalicza się do grupy lekkich (np. magnez i glin), natomiast pozostałe tworzą grupę metali ciężkich (np. cynk, żelazo, miedź), wśród których wyróżnia się grupę metali szlachetnych najbardziej odpornych chemicznie (srebro, złoto, platynowce).

Z uwagi na stale wzrastające wymagania w zakresie właściwości mechani­cznych i odporności materiałów konstrukcyjnych, istotnym staje się kryterium podziału metali pod względem temperatury ich topnienia (wiąże się z tym wytrzymałość mechaniczna i twardość). Za łatwo topliwe uważa się np. cynę, ołów i cynk (230 - 660°C), trudno topliwe - np. miedź i żelazo ( 1080 - 1540°C), zaś bardzo trudno topliwe- np. molibden, niob (2500-3410°C).

Stal budowlana

Zagadnienia technologiczne

W wyniku procesu metalurgicznego uzyskuje się z rud żelaza - przez wytapianie ich w wielkim piecu z dodatkiem koksu (paliwo) oraz topników - jako produkt główny tzw. surówkę oraz jako produkty uboczne żużel i gaz wielkopiecowy. Surówka jest niekowalnym stopem żelaza z węglem (zwykle 3-4,5% C), krzemem, man­ganem, fosforem i siarką o łącznej zawartości domieszek (około 6%). Z surówki szarej, zawierającej węgiel głównie w postaci grafitu, uzyskuje się przez jej przetopienie ze złomem staliwnym, odpadkami z odlewni, koksem i topni­kami – żeliwo. Na ogół jest żeliwo stopem kruchym, nie mającym właściwości plastycznych; wykazuje natomiast większą odporność na korozję niż stal i nie zmienia swoich charakterystyk mechanicz­nych pod wpływem wysokiej temperatury.

Ze względu na postać zawartego węgla żeliwo może być białe, szare lub pstre. Wytrzymałość żeliwa na rozciąganie jest niska i waha się w granicach 120- 260 MPa, a na ściskanie wynosi 800 MPa.

Z surówki białej (przeróbczej) przez jej świeżenie - tj. usuwanie nadmiaru węgla, krzemu i innych domieszek, w piecach Siemensa-Martina lub piecach elektrycznych bądź też w konwertorach Bessemera lub Thomasa- otrzymuje się stal płynną. Stopioną stal odlewa się do form, uzyskując po jej ostygnięciu tzw. wlewki, przydatne do dalszej przeróbki plastycznej, która może być realizowana na zimno i gorąco, tz.: kucie, walcowanie, tłoczenie i przeciąganie.

Przy wykonywaniu przedmiotów o dużych wymiarach, szczególnie w przy­padkach gdy jakość i wytrzymałość materiału są mniej istotne od względów ekonomicznych, celowe jest stosowanie techniki odlewania wyrobu. Zależnie od rodzaju stopu odlewniczego i właściwości odlewu stosuje się odlewanie: w for­mach piaskowych, pod ciśnieniem, kokilowe, odśrodkowe, precyzyjne i ciągłe. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się staliwo węglowe i stopowe, przy czym to pierwsze zawiera tylko pierwiastki pochodzące z wytopu (C, Mn, Si, P, S), natomiast staliwo stopowe ma celowo wprowadzone pierwiastki (nikiel, chrom, wolfram, wanad) polepszające jego właściwości.

Odmiany stali i ich właściwości ogólne

Z omówionych wyżej trzech postaci stopów żelaza stosowanych w tech­nice: żeliwa, staliwa i stali istotne źnaczenie w budownictwie ma praktycznie tylko stal. Stal tworzy stop żelaza i węgla o zawartości tego ostatniego nie przekraczającego 2,0% (zwykle- 0,01-1,6%). Gdy wszystkie składniki stali pochodzą z przerobu hutniczego, to podobnie jak w przypadku staliwa, mamy do czynienia ze stalami węglowymi, natomiast gdy do składu stali są celowo wprowadzone pierwiastki dodatkowe, stale noszą nazwę stopowych. Przy zawartościach dodatków stopowych nie przekraczających 1,5% stale określa się jako niskostopowe, 1,5 - 5,0% - średniostopowe, więcej niż 5% dodatków – stal wysokostopowe.

Właściwości stali można w dość istotnym zakresie modyfikować przez poddanie jej obróbce cieplnej, polegającej na ogrzaniu stali do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu jej i ochłodzeniu, Stosowane są trzy rodzaje obróbki cieplnej: wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie.

Wyżarzanie polega na ogrzaniu, wygrzaniu i powolnym studzeniu stali. W zależności od czasu i temperatury wygrzania, wyżarzanie może być ujed­norodniające, normalizujące, zmiękczające, rekrystalizujące, odprężające itp.

Hartowanie jest zabiegiem cieplnym, w którym następuje gwałtowne ochłodzenie uprzednio ogrzanej stali.

Odpuszczenie polega na nagrzaniu i wolnym chłodzeniu materiału uprzed­nio hartowanego.

Stal poddaną na przemian zabiegowi hartowania i odpuszczania nazywa się ulepszoną cieplnie.

W procesie wytopu występują w stali pęcherzyki gazów (tlen, azot, wodór i tlenek węgla), powodujące porowatość struktury materiału. Stal tego typu nazywa się nieuspokojoną.

Właściwości stali węglowych zależą głównie od zawartości węgla (rys. 14-1 ), ze wzrostem którego wzrasta wytrzymałość, twardość i hartowność, a maleje np. odporność stali na korozję, wydłużenie i udarność.

Z pozostałych domieszek naturalnych występują: do 0,8% manganu, do 0,55% krzemu, do 0,07% fosforu i 0,06% siarki.

W przypadku stali stopowych ich spawalność ocenia się w zależności od wielkości tzw. równoważnika węgla CE

,

przy czym dla CE < 0,42% stal jest dobrze spawalna, natomiast przy CE = 0,42-0,60% wymagane jest przed spawaniem podgrzanie elementu.

Podział stali stopowych jest na ogół związany z ich zastosowaniem, w związku z czym rozróżnia się stale stopowe konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne. W budownictwie stali stopowych używa się głównie w konstrukcjach mostowych, np. na kable mostów wiszących, w mostach wielkich rozpiętości itp., oraz na elementy elewacyjne.

Ze stali stopowych o właściwościach specjalnych wymienić należy:

- stale chromowe odporne na korozję, zawierające ponad 12% chromu i uzyskujące odporność chemiczną przez wytwarzanie ochronnej warstwy tlenkowej,

- stale chromowo-niklowe, zwane także kwasoodpornymi, odporne również na korozję; są to stale o niskiej zawartości węgla,

- stale żaroodporne, przeznaczone do wyrobu maszyn i urządzeń pracujących w wysokiej temperaturze i narażonych na działanie agresywnych środowisk gazowych; zawierają one chrom, krzem i niekiedy aluminium,

- stale odporne na ścieranie, zawierające 11-14% M n i 1,0-1,3% C, stosowane przeważnie w postaci odlewów (szczęki kruszarek, gąsienice do czołgów itp.).

Charakterystyczne właściwości mechaniczne i fizyczne stali

Fizyczne właściwości stali, mające istotne znaczenie dla konstrukcji budowlanych, tj. gęstość i gęstość objętościowa, rozszerzalność cieplna i dźwię­kowa oraz stałe materiałowe, nie zależą prawie od składu chemicznego stali, jej obróbki i wytrzymałości.

Zarówno gęstość jak i gęstość objętościowa są, ze względu na zwartą budowę stali, nieomal jednakowe i stąd przyjmuje się praktycznie do obliczeń gęstość średnią równą 7,85 g/cm3.

Elementy stalowe są wrażliwe na zmiany temperatury. Współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej przyjmuje się a = 0,000012. Przewodność cieplna jest cechą wyróżniającą metale, a tym samym i stal od innych tworzyw budowlanych. Współczynnik przewodności cieplnej dla stali przyjmuje się średnio λ = 58 W /(m°C). Przewodność dźwiękowa stali jest również znacznie większa od przewod­noŚci dźwiękowej innych konstrukcyjnych materiałów budowlanych.

Stałe materiałów (E, G, μ) przyjmuje się dla wszystkich gatunków stali jednakowe wg wartości jak niżej:

• współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga) E = 2,05.105 MPA,
• współczynnik sprężystości poprzecznej G = 0,80 . 105 MPa, współczynnik

·         Poissona μ = 0,3.

...