Металлоконструкция это: Что такое металлоконструкции и из чего они изготавливаются

Содержание

виды, типы и элементы соединения металлоизделий

Металлоконструкциями называют соединенные в единое целое элементы, изготовленные из листового, фасонного, сортового, трубного проката из стали, цветных металлов и сплавов на их основе. Для получения изделий нужных размеров и форм используют различные способы механической обработки: резка, гибка, сверление. МК применяют в строительстве гражданских, производственных и сельскохозяйственных объектов, в различных отраслях промышленности.

Значительная часть металлоконструкций производится массово по разработанным типовым технологическим схемам, что значительно снижает себестоимость металлопродукции.

Классификация металлоконструкций

Существует несколько основных признаков, по которым разделяют МК.

По назначению металлоконструкции бывают:

  • Несущие. Формируют каркас сооружения. Для их изготовления используется металлопрокат с массивным сечением – двутавр, швеллер, профильные трубы. Конструкцию усиливают промежуточными связями из уголка или прутка.
  • Для дорожного строительства. МК используются при возведении мостов, эстакад, путепроводов.
  • Декоративные. Могут выпускаться серийно, но чаще – по индивидуальному заказу. Это – стойки для цветов, предметы декора для интерьеров и ландшафта.
  • Ограждающие. Заборы, ворота, калитки. Могут объединять декоративные и функциональные характеристики.

По типам соединения металлоконструкций:

  • Неразборные, стационарные. Все соединения в таких МК – неразъемные: сварные или на заклепках. В МК, запланированных для восприятия существенных нагрузок, все сварные соединения должны выполнять квалифицированные сварщики на специализированном оборудовании.
  • Сборно-разборные. Тип соединений – резьбовый. Для его создания применяют болты, винты, шпильки, гайки, контргайки, шайбы, усиливающие накладки.
  • Комбинированные. Отдельные узлы могут быть изготовлены в заводских условиях на сварных соединениях, а смонтированы – на месте эксплуатации с помощью резьбовых соединений.

Металлоконструкции различаются по размерам, используемым видам проката, устойчивости к агрессивным внешним факторам. В зависимости от формы, видов сопряжения элементов, конфигурации швов, МК разделяют на радиальные (цилиндрические, сферические, криволинейные), линейные (корпусные, плоскостные, решетчатые, рамные, линейно-радиальные (рамочные, балочные, корпусные).

Преимущества и недостатки металлоконструкций

Популярность МК обеспечивают:

  • высокая скорость монтажа, особенно при использовании узлов, изготовленных и окрашенных в заводских условиях;
  • возможность демонтажа (в случае сборно-разборных МК), транспортировки узлов на новое место и повторного монтажа;
  • возможность переплавки для изготовления нового металлопроката;
  • возможность повышения коррозионной стойкости металлопроката и продления его срока службы;
  • устойчивость к агрессивным биологическим факторам;
  • сочетание относительно небольшой массы (по сравнению с каменными материалами) с высокой несущей способностью;
  • ремонтопригодность.

Минусы конструкций из металлопроката:

  • Меньший срок эксплуатации по сравнению с железобетонными сооружениями.
  • Необходимость в качественной антикоррозионной обработке.
  • Относительно невысокая термическая стойкость. Металлоизделия считаются пожаробезопасными, но при определенных температурах они начинают терять прочность. Металлоконструкции деформируются, что приводит к обрушению кровли и стен.

Виды металлоконструкций в строительстве – примеры

МК часто используются при возведении следующих зданий и сооружений:

  • производственные предприятия, отдельные цеха, небольшие мастерские;
  • складские комплексы – основные складские здания, ограждение, вспомогательные строения;
  • гаражи, ангары, боксы;
  • жилые каркасные строения;
  • коммерческие объекты – гипермаркеты, супермаркеты; торгово-развлекательные центры;
  • спортивные комплексы;
  • автозаправочные станции – АЗС, АГЗС, АГНКС и другие;
  • башни, мачты, антенны;
  • объекты наружной рекламы, выставочные стенды;
  • навесы, козырьки, киоски;
  • временные сооружения – леса, опалубка.

Металлоконструкции в промышленности

На производственных и сельскохозяйственных предприятиях металлоконструкции используются при:

  • организации технологических линий;
  • обустройстве смотровых и обслуживающих площадок;
  • устройстве мест хранения сырья и готовой продукции;
  • обустройстве переходов, мостиков, лестниц.

МК применяются при изготовлении тяжелой транспортной и подъемной техники с высокой грузоподъемностью.

Металлоконструкции «Металлические конструкции»

Металлоконструкции
«Металлические конструкции»

 

 

Неоспоримые технические и экономические преимущества сделали металлоконструкции неотъемлемой частью современного строительного рынка. Металлические конструкции успешно заменяют такие стройматериалы, как кирпич, дерево и железобетон. За счёт применения строительных металлоконструкций существенно снижаются расходы, уменьшаются трудозатраты, сокращаются сроки строительства промышленных зданий и повышается эффективность использования финансовых ресурсов.

 

В настоящее время различные типы и виды конструкций нашли своё применение во всех отраслях экономики — в сельском хозяйстве, промышленном производстве, на транспорте, в торговле и т.д. Из металлоконструкций возводятся промышленные здания и производственные цеха. Не менее популярны и металлические ангары из металлоконструкций. Среди объектов, на которых также широко применяются металлические конструкции можно отметить: автомобильные и железнодорожные мосты, надземные и подземные пешеходные переходы, логистические и складские комплексы, торговые центры, магазины, пропускные пункты и посты охраны. 

Завод №1* Металлопрофиль организует возможность производить широкий спектр разнообразных строительных металлоконструкций, предназначенных для возведения производственных, складских и торговых комплексов, административно-хозяйственных зданий, технических центров, объектов атомной энергетики и т.д. Это могут быть как самостоятельные узлы, являющиеся конструкционной составляющей зданий и сооружений, так и вспомогательные монтажные металлоконструкции.

 

 

Изготовление металлоконструкций

Завод №1* Металлопрофиль организует изготовление и монтаж строительных и мостовых металлоконструкций любой сложности.

Металлоконструкции (металлические конструкции) — это строительные конструкции, применяемые как несущие в каркасах зданий и инженерных сооружений, в большепролетных покрытиях, обшивках стеновых и кровельных панелей.

 

 

Преимущества конструкций металлических:

  • транспортабельность;
  • легкость монтажа и демонтажа;
  • меньший вес, чем у железобетонных конструкций;
  • простота и скорость изготовления;
  • удобство и быстрота возведения;
  • надежность в эксплуатации.

Неоспоримые технические и экономические преимущества сделали металлические конструкции неотъемлемой частью современного строительного рынка. Они успешно заменяют такие стройматериалы, как кирпич, дерево и железобетон. За счёт применения металлоконструкций в гражданском и промышленном строительстве существенно снижаются расходы, уменьшаются трудозатраты, сокращаются сроки строительства и повышается эффективность финансовых вливаний.  В настоящее время различные типы и виды металлоконструкций нашли своё применение во всех отраслях экономики — в сельском хозяйстве, промышленном производстве, торговле и т.д. Среди объектов, на которые широко применяется изготовление металлических конструкций (металлоконструкции) можно отметить: автомобильные и железнодорожные мосты, надземные и подземные пешеходные переходы, металлические ангары и производственные цеха, логистические и складские комплексы, торговые центры, магазины, пропускные пункты и посты охраны и т.д. 

Рост популярности и востребованность данных изделий обуславливает планомерный рост объёмов производства и расширение рынка компаний, специализирующихся на изготовлении и монтаже металлоконструкций. Ключевыми факторами при выборе производственной компании являются: история компании, производственные мощности, квалификация персонала, реализованные проекты,  цена за тонну металлоконструкций.

 

 

Осуществляем изготовление и монтаж металлоконструкций любой сложности — как по собственному проекту, так и по документации заказчика.

Завод производит следующие металлические конструкции:

  • стальные конструкции пролетных строений железнодорожных, автодорожных и пешеходных мостов;

  • конструкции объектов атомной энергетики, в том числе закладные детали;

  • колонны различных сечений и конструктивных решений;

  • ригели с монтажными соединениями на сварке или высокопрочных болтах;

  • сварные и прокатные балки;

  • стропильные и подстропильные фермы каркаса зданий;

  • связи и раскосы по колоннам и фермам;

  • монорельсы, тормозные конструкции путей подвесного транспорта;

  • стойки фахверка, прогоны, площадки лестницы;

  • бункера, резервуары, ёмкости, эстакады трубопроводов и конвейеров и т.д.

 

Проектирование металлоконструкций

Проектирование подразумевает под собой процесс разработки конструкторской документации на производство металлоконструкций. Это очень сложная и трудоемкая работа, которая по силам только профессионалам. Наши специалисты обладают необходимой квалификацией для выполнения проектирования КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические деталировочные).

Кроме того, мы оказываем перечень сопутствующих услуг:

  • формирование технического задания на проектирование металлоконструкций;

  • предварительный расчет металлоемкости здания с графическим приложением;

  • проектирование инженерных сетей и коммуникаций;

  • согласование проекта;

  • авторский надзор.

 

 

Монтаж металлоконструкций

Конструкции из металла получают все большее развитие и популярность. По сравнению с обычным строительством, монтаж занимает значительно меньше времени. Тем не менее, это очень трудоемкая и специфическая работа, которая требует привлечения высококвалифицированных специалистов.

Наша компания работает только с профессиональными монтажными бригадами, которые прошли серьезную подготовку и зарекомендовали себя ответственными исполнителями.

 

 

 

 

 

Получить информацию и сделать заказ,
Вы можете по телефонам:
8(985)265-15-91/8(926)917-50-62

Структура металлов | Инженерная библиотека

На этой странице представлены главы о структуре металлов из «Справочника DOE по основам: материаловедение», DOE-HDBK-1017/1-93, Министерство энергетики США, январь 1993 г.

Другие связанные главы из «Справочника по основам Министерства энергетики: материаловедение» можно увидеть справа.

Склеивание

Расположение атомов в материале определяет поведение и свойства этого материала. Большинство материалов, используемых при строительстве ядерных реакторов, представляют собой металлы. В этой главе мы обсудим различные типы соединений, возникающих в материалах, выбранных для использования в реакторной установке. В Справочнике по химии типы склеивания обсуждаются более подробно.

Атомная связь

Материя, как мы ее знаем, существует в трех обычных состояниях. Эти три состояния – твердое, жидкое и газообразное. Атомные или молекулярные взаимодействия, происходящие внутри вещества, определяют его состояние. В этой главе мы будем иметь дело главным образом с твердыми телами, потому что твердые тела представляют наибольшую проблему в технических приложениях материалов. Жидкости и газы будут упомянуты только в сравнительных целях.

Твердое вещество удерживается вместе силами, возникающими между соседними атомами или молекулами. Эти силы возникают из-за различий в электронных облаках атомов. Другими словами, валентные электроны или электроны внешней оболочки атомов определяют их притяжение к своим соседям. Когда физическое притяжение между молекулами или атомами материала велико, материал плотно удерживается вместе. Молекулы в твердых телах тесно связаны друг с другом. Когда притяжение слабее, вещество может быть в жидкой форме и свободно течь. Газы практически не проявляют сил притяжения между атомами или молекулами, и их частицы могут свободно двигаться независимо друг от друга.

Типы связей в материале определяются тем, как силы удерживают материю вместе. Рисунок 1 иллюстрирует несколько типов облигаций, а их характеристики перечислены ниже.

  1. Ионная связь. В этом типе связи один или несколько электронов полностью передаются от атома одного элемента к атому другого, и элементы удерживаются вместе силой притяжения из-за противоположной полярности заряда.
  2. Ковалентная связь – связь, образованная общими электронами. Электроны являются общими, когда атому нужны электроны для завершения его внешней оболочки, и он может поделиться этими электронами со своим соседом. Тогда электроны входят в состав обоих атомов, и обе оболочки заполнены.
  3. Металлическая связь. В этом типе связи атомы не обмениваются электронами и не обмениваются электронами для связи друг с другом. Вместо этого многие электроны (примерно по одному на каждый атом) могут более или менее свободно перемещаться по металлу, так что каждый электрон может взаимодействовать со многими неподвижными атомами.
  4. Молекулярная связь. Когда электроны нейтральных атомов проводят больше времени в одной области своей орбиты, будет существовать временный слабый заряд. Молекула будет слабо притягивать другие молекулы. Это иногда называют ван-дер-ваальсовыми или молекулярными связями.
  5. Водородная связь. Эта связь похожа на молекулярную связь и возникает из-за легкости, с которой атомы водорода готовы отдать электрон атомам кислорода, фтора или азота.

Некоторые примеры материалов и их связей указаны в таблице 1.

Таблица 1: Примеры материалов и их соединений
Материал Бонд
Хлорид натрия Ионный
Алмаз Ковалентный
Натрий Металлик
сплошной Н 2 Молекулярный
Лед Водород

Тип связи определяет не только то, насколько хорошо материал удерживается вместе, но и то, какими микроскопическими свойствами обладает материал. Такие свойства, как способность проводить тепло или электрический ток, определяются свободой движения электронов. Это зависит от типа существующей связи. Знание микроскопической структуры материала позволяет нам предсказать, как этот материал будет вести себя в определенных условиях. И наоборот, материал может быть синтетически изготовлен с заданной микроскопической структурой, чтобы получить свойства, желательные для определенных технических приложений.

Рисунок 1: Типы склеивания

Порядок в микроструктурах

Твердые тела имеют большее межатомное притяжение, чем жидкости и газы. Однако существуют большие различия в свойствах твердых материалов, используемых в технических целях. Свойства материалов зависят от их межатомных связей. Эти же связи также определяют пространство между конфигурацией атомов в твердых телах. Все твердые тела можно разделить на аморфные и кристаллические.

Аморфный

Аморфные материалы не имеют регулярного расположения своих молекул. Такие материалы, как стекло и парафин, считаются аморфными. Аморфные материалы обладают свойствами твердых тел. Они имеют определенную форму и объем и медленно диффундируют. У этих материалов также отсутствуют четко определенные температуры плавления. Во многом они напоминают жидкости, которые очень медленно текут при комнатной температуре.

Кристаллический

В кристаллической структуре атомы расположены в трехмерном массиве, называемом решеткой. Решетка имеет правильную повторяющуюся конфигурацию во всех направлениях. Группа частиц из одной части кристалла находится в точно таком же геометрическом отношении, что и группа из любой другой части того же кристалла.


У нас есть несколько структурных калькуляторов на выбор. Здесь только несколько:

  • Калькулятор луча
  • Калькулятор болтовых соединений
  • Распределение силы болтового соединения
  • Калькулятор наконечников
  • Калькулятор потери устойчивости колонны
  • Калькулятор роста усталостной трещины

Общие типы решеток

Все металлы, используемые в реакторе, имеют кристаллическую структуру. Кристаллические микроструктуры организованы в виде трехмерных массивов, называемых решетками. В этой главе будут обсуждаться три наиболее распространенные решетчатые структуры и их характеристики.

Общие кристаллические структуры

В металлах и во многих других твердых телах атомы расположены в виде правильных рядов, называемых кристаллами. Кристаллическая структура состоит из атомов, расположенных по образцу, который периодически повторяется в трехмерной геометрической решетке. Силы химической связи вызывают это повторение. Именно этот повторяющийся шаблон определяет такие свойства, как прочность, пластичность, плотность (описанную в Модуле 2 «Свойства металлов»), проводимость (свойство проводить или передавать тепло, электричество и т. д.) и форму.

В целом, тремя наиболее распространенными основными структурами кристаллов, связанными с металлами, являются: (а) объемно-центрированная кубическая, (б) гранецентрированная кубическая и (в) гексагональная плотноупакованная. На рис. 2 показаны эти три шаблона.

Рисунок 2: Распространенные типы решеток
Объемно-центрированная кубическая

В объемно-центрированном кубическом (ОЦК) расположении атомов элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре тела куба.

Гранецентрированный куб

В гранецентрированном кубическом расположении атомов (FCC) элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре каждой из граней куба.

Шестигранник В закрытой упаковке

В гексагональной плотноупакованной конфигурации (HCP) атомов элементарная ячейка состоит из трех слоев атомов. Верхний и нижний слои содержат по шесть атомов в углах шестиугольника и по одному атому в центре каждого шестиугольника. Средний слой содержит три атома, расположенные между атомами верхнего и нижнего слоев, отсюда и название плотная упаковка.

Большинство диаграмм структурных ячеек для ОЦК и ГЦК форм железа нарисованы так, как если бы они были одного размера, как показано на рисунке 2, но это не так. В схеме ОЦК структурная ячейка, в которой используются всего девять атомов, намного меньше.

Такие металлы, как α-железо (Fe) (феррит), хром (Cr), ванадий (V), молибден (Mo) и вольфрам (W), обладают структурой ОЦК. Эти металлы ОЦК обладают двумя общими свойствами: высокой прочностью и низкой пластичностью (что допускает остаточную деформацию). Металлы FCC, такие как γ-железо (Fe) (аустенит), алюминий (Al), медь (Cu), свинец (Pb), серебро (Ag), золото (Au), никель (Ni), платина (Pt) и торий (Th), как правило, имеют более низкую прочность и более высокую пластичность, чем металлы ОЦК. ГПУ-структуры обнаружены в бериллии (Be), магнии (Mg), цинке (Zn), кадмии (Cd), кобальте (Co), таллии (Tl) и цирконии (Zr).

Зернистая структура и границы

Металлы содержат зерна и кристаллические структуры. Человеку нужен микроскоп, чтобы увидеть зерна и кристаллические структуры. Зерна и границы зерен помогают определить свойства материала.

Зернистая структура и границы

Если бы вы взяли небольшой срез обычного металла и исследовали его под микроскопом, вы бы увидели структуру, подобную той, что показана на рис. 3(а). Каждая из светлых областей называется зерном, или кристаллом, то есть областью пространства, занятой сплошной кристаллической решеткой. Темные линии, окружающие зерна, являются границами зерен. Структура зерна относится к расположению зерен в металле, при этом зерно имеет определенную кристаллическую структуру.

Граница зерна относится к внешней области зерна, которая отделяет его от других зерен. Граница зерна представляет собой область несоответствия между зернами и обычно имеет ширину от одного до трех атомов. Границы зерен разделяют разноориентированные области кристаллов (поликристаллические), в которых кристаллическая структура идентична. На рис. 3(б) представлены четыре зерна разной ориентации и границы зерен, возникающие на границах раздела между зернами.

Очень важной характеристикой металла является средний размер зерна. Размер зерна определяет свойства металла. Например, меньший размер зерна увеличивает прочность на растяжение и имеет тенденцию к увеличению пластичности. Более крупный размер зерна предпочтителен для улучшения характеристик ползучести при высоких температурах. Ползучесть – это постоянная деформация, увеличивающаяся со временем при постоянной нагрузке или напряжении. Ползучесть становится все легче с повышением температуры. Напряжение и деформация рассматриваются в Модуле 2, Свойства металлов, а ползучесть рассматривается в Модуле 5, Растительные материалы.

Рисунок 3: Зерна и границы
(а) микроскопический  (б) атомный

Еще одним важным свойством зерен является их ориентация. На рис. 4(а) представлено случайное расположение зерен, при котором ни одно направление внутри зерен не совпадает с внешними границами металлического образца. Эта случайная ориентация может быть получена путем поперечной прокатки материала. Если такой образец достаточно прокатать в одном направлении, в нем может образоваться ориентированная по зерну структура в направлении прокатки, как показано на рис. 4(b). Это называется предпочтительной ориентацией. Во многих случаях предпочтительная ориентация очень желательна, но в других случаях она может быть очень вредной. Например, предпочтительная ориентация урановых топливных элементов может привести к катастрофическим изменениям размеров при использовании в ядерном реакторе.

Рисунок 4: Ориентация зерен
(a) Случайная  (b) Предпочтительная

У нас есть несколько структурных калькуляторов на выбор. Здесь только несколько:

  • Калькулятор луча
  • Калькулятор болтовых соединений
  • Распределение силы болтового соединения
  • Калькулятор наконечников
  • Калькулятор потери устойчивости колонны
  • Калькулятор роста усталостной трещины

Полиморфизм

Металлы могут существовать более чем в одной форме одновременно. В этой главе мы обсудим это свойство металлов.

Фазы полиморфизма

Полиморфизм — это свойство или способность металла существовать в двух или более кристаллических формах в зависимости от температуры и состава. Этим свойством обладают большинство металлов и металлических сплавов. Уран — хороший пример металла, проявляющего полиморфизм. Металлический уран может существовать в трех различных кристаллических структурах. Каждая структура существует на определенной фазе, как показано на рисунке 5.

  1. Альфа-фаза, от комнатной температуры до 663°C
  2. Бета-фаза, от 663°C до 764°C
  3. Гамма-фаза, от 764°С до точки плавления 1133°С.
Рис. 5: Кривая охлаждения нелегированного урана
Альфа-фаза

Альфа-фаза (α) стабильна при комнатной температуре и имеет кристаллическую систему, характеризующуюся тремя неравными осями, расположенными под прямым углом.

В альфа-фазе свойства решетки различны по осям X, Y и Z. Это связано с тем, что регулярно повторяющееся состояние атомов отличается. Из-за этого условия при нагревании фаза расширяется в направлениях X и Z и сжимается в направлении Y. На рис. 6 показано, что происходит с размерами (Å = ангстрем, одна стомиллионная сантиметра) элементарной ячейки альфа-урана при нагревании.

Как показано, нагревание и охлаждение альфа-фазы урана может привести к резкому изменению размеров и грубым искажениям металла. Таким образом, чистый уран не используется в качестве топлива, а только в сплавах или соединениях.

Рисунок 6: Изменение содержания альфа-урана при нагревании от 0 до 300°C
Бета-фаза

Бета (β) фаза урана возникает при повышенных температурах. Эта фаза имеет тетрагональную (четыре угла и четыре стороны) структуру решетки и является достаточно сложной.

Гамма Фаза

Гамма (γ) фаза урана образуется при температурах выше тех, которые необходимы для стабильности бета фазы. В гамма-фазе структура решетки ОЦК и при нагревании расширяется одинаково во все стороны.

Дополнительные примеры

Два дополнительных примера полиморфизма перечислены ниже.

  1. Нагрев железа до 907°C вызывает переход железа из ОЦК (альфа, феррит) в форму ГЦК (гамма, аустенит).
  2. Цирконий находится в ГПУ (альфа) до 863°С, где он переходит в ОЦК (бета, цирконий) форму.

Свойства одной полиморфной формы одного и того же металла будут отличаться от свойств другой полиморфной формы. Например, гамма-железо может растворять до 1,7% углерода, тогда как альфа-железо может растворять только 0,03%.

Сплавы

Большинство материалов, используемых в проектировании конструкций или производстве компонентов, представляют собой металлы. Легирование является обычной практикой, поскольку металлические связи позволяют соединять различные типы металлов.

Сплавы

Сплав представляет собой смесь двух или более материалов, по крайней мере один из которых является металлом. Сплавы могут иметь микроструктуру, состоящую из твердых растворов, где вторичные атомы вводятся в кристаллическую решетку в качестве замещающих или внедренных атомов (более подробно обсуждаются в следующей главе и Модуле 5, Растительные материалы). Сплав также может быть кристаллом с металлическим соединением в каждой точке решетки. Кроме того, сплавы могут состоять из вторичных кристаллов, внедренных в первичную поликристаллическую матрицу. Этот тип сплава называется композитным (хотя термин «композитный» не обязательно означает, что составные материалы представляют собой металлы). Модуль 2, Свойства металлов, обсуждает, как различные элементы изменяют физические свойства металла.

Общие характеристики сплавов

Сплавы обычно прочнее чистых металлов, хотя обычно обладают меньшей электропроводностью и теплопроводностью. Прочность – важнейший критерий, по которому оценивают многие конструкционные материалы. Поэтому сплавы используются для машиностроения. Сталь, вероятно, самый распространенный конструкционный металл, является хорошим примером сплава. Это сплав железа и углерода с другими элементами, придающими ему определенные желаемые свойства.

Как упоминалось в предыдущей главе, иногда материал может состоять из нескольких твердых фаз. Прочность этих материалов повышается за счет того, что твердая структура становится формой, состоящей из двух перемежающихся фаз. Когда рассматриваемый материал представляет собой сплав, можно закалить (более подробно обсуждается в Модуле 2, Свойства металлов) металл из расплавленного состояния с образованием вкрапленных фаз. Вид и скорость закалки определяют конечную структуру твердого тела и, следовательно, его свойства.

Нержавеющая сталь типа 304

Нержавеющая сталь типа 304 (содержащая 18-20% хрома и 8-10,5% никеля) используется в резервуарах реакторов для производства трития, трубопроводах технологической воды и оригинальных технологических теплообменниках. Этот сплав устойчив к большинству видов коррозии.

Состав обычных технических материалов

Большое разнообразие конструкций, систем и компонентов, используемых на ядерных объектах Министерства энергетики США, изготовлено из самых разных материалов. Многие материалы представляют собой сплавы с основным металлом из железа, никеля или циркония. Выбор материала для конкретного применения основан на многих факторах, включая температуру и давление, которым будет подвергаться материал, устойчивость материала к определенным типам коррозии, ударную вязкость и твердость материала, а также другие свойства материала.

Одним из материалов, который имеет широкое применение в системах объектов Министерства энергетики, является нержавеющая сталь. Существует около 40 стандартных типов нержавеющей стали и множество других специализированных типов под различными торговыми названиями. Благодаря модификации видов и количеств легирующих элементов сталь можно адаптировать для конкретных применений. Нержавеющие стали классифицируются как аустенитные или ферритные в зависимости от их структуры решетки. Аустенитные нержавеющие стали, в том числе 304 и 316, имеют гранецентрированную кубическую структуру атомов железа с углеродом в твердом растворе внедрения. Ферритные нержавеющие стали, включая тип 405, имеют объемно-центрированную кубическую железную решетку и не содержат никеля. Ферритные стали легче сваривать и изготавливать, они менее подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением, чем аустенитные нержавеющие стали. Они обладают лишь умеренной устойчивостью к другим типам химического воздействия.

Другими металлами, которые имеют особое применение на некоторых ядерных объектах Министерства энергетики, являются инконель и циркалой. Состав этих металлов и различных типов нержавеющей стали указан в Таблице 2 ниже.

Таблица 2: Типовой состав обычных технических материалов
%Fe %C
Макс.		 %Cr %Ni % Мо %Mn
Макс.		 %Si
Макс.		 %Zr
Нержавеющая сталь 304 Бал. 0,08 19 10 2 1
Нержавеющая сталь 304L Бал. 0,03 18 8 2 1
Нержавеющая сталь 316 Бал. 0,08 17 12 2,5 2 1
Нержавеющая сталь 316L Бал. 0,03 17 12 2,5 2
Нержавеющая сталь 405 Бал. 0,08 13 1 1
Инконель 8 0,15 15 Бал. 1 0,5
Циркалой-4 0,21 0,1 Бал.

У нас есть несколько структурных калькуляторов на выбор. Здесь только несколько:

  • Калькулятор луча
  • Калькулятор болтовых соединений
  • Распределение силы болтового соединения
  • Калькулятор наконечников
  • Калькулятор потери устойчивости колонны
  • Калькулятор роста усталостной трещины

Дефекты металлов

Обсуждение порядка в микроструктурах в предыдущих главах предполагало идеализированные микроструктуры. В действительности материалы не состоят из идеальных кристаллов и не свободны от примесей, изменяющих их свойства. Даже аморфные твердые тела имеют несовершенства и примеси, которые изменяют их структуру.

Микроскопические дефекты

Микроскопические дефекты обычно классифицируются как точечные, линейные или межфазные дефекты.

  1. Точечные несовершенства имеют атомарные размеры.
  2. Линейные несовершенства или дислокации обычно имеют длину в несколько атомов.
  3. Межфазные дефекты больше, чем линейные дефекты, и возникают в двумерной области.
Точечные дефекты

Точечные дефекты в кристаллах можно разделить на три основные категории дефектов. Они показаны на рисунке 7.

  1. Вакансионные дефекты возникают из-за отсутствия атома в позиции решетки. Дефект вакансионного типа может возникать из-за несовершенной упаковки в процессе кристаллизации или из-за повышенных тепловых колебаний атомов, вызванных повышенной температурой.
  2. Дефекты замещения возникают из-за примеси, присутствующей в положении решетки.

  3. Межузельные дефекты возникают из-за примеси, расположенной в междоузлии, или из-за того, что один из атомов решетки находится в междоузельном положении, а не в его положении в решетке. Междоузлие относится к местам между атомами в структуре решетки.

    Примеси внедрения, называемые модификаторами сетки, действуют как точечные дефекты в аморфных твердых телах. Наличие точечных дефектов может увеличить или уменьшить ценность материала для инженерного строительства в зависимости от предполагаемого использования.

Рисунок 7: Точечные дефекты
Линейные дефекты

Линейные дефекты называются дислокациями и встречаются только в кристаллических материалах. Дислокации могут быть краевого, винтового или смешанного типа, в зависимости от того, как они искажают решетку, как показано на рис. 8. Важно отметить, что дислокации не могут заканчиваться внутри кристалла. Они должны заканчиваться на краю кристалла или другом дислокации, или же они должны замкнуться сами на себя.

Краевые дислокации состоят из дополнительного ряда или плоскости атомов в кристаллической структуре. Несовершенство может проходить по прямой линии через весь кристалл или идти по неправильной траектории. Он также может быть коротким, простираясь лишь на небольшое расстояние вглубь кристалла, вызывая скольжение на одно атомное расстояние вдоль плоскости скольжения (направление движения краевого дефекта).

Рисунок 8: Линейные дефекты (дислокации)

Скольжение происходит, когда кристалл подвергается напряжению, и дислокация движется через кристалл, пока не достигнет края или не будет остановлена ​​другой дислокацией, как показано на рисунке 9.. Позиция 1 показывает нормальную кристаллическую структуру. Позиция 2 показывает силу, приложенную с левой стороны, и противодействующую силу, приложенную с правой стороны. Позиции с 3 по 5 показывают, как конструкция проскальзывает. Позиция 6 показывает окончательную деформированную кристаллическую структуру. Скольжение одной активной плоскости обычно составляет порядка 1000 атомных расстояний, и для получения текучести требуется скольжение по многим плоскостям.

Рисунок 9: Накладки

Винтовые дислокации могут быть вызваны разрывом кристалла параллельно направлению скольжения. Если проследить за винтовой дислокацией по всей цепи, она покажет схему скольжения, подобную той, что имеет винтовая резьба. Рисунок может быть как левым, так и правым. Это требует, чтобы некоторые из атомных связей непрерывно переформировывались, так что кристалл после разрушения имеет почти ту же форму, что и раньше.

Ориентация дислокаций может варьироваться от чисто краевой до чисто винтовой. В какой-то промежуточной точке они могут обладать как краевыми, так и винтовыми характеристиками. Важность дислокаций основана на легкости, с которой они могут перемещаться по кристаллам.

Межфазные дефекты

Межфазные дефекты существуют под углом между любыми двумя гранями кристалла или кристаллической формы. Эти дефекты обнаруживаются на свободных поверхностях, границах доменов, границах зерен или межфазных границах. Свободные поверхности являются границами между газами и твердыми телами. Границы доменов относятся к интерфейсам, где электронные структуры различны с обеих сторон, что приводит к тому, что каждая сторона действует по-разному, хотя с обеих сторон существует одно и то же атомное расположение. Границы зерен существуют между кристаллами с одинаковой структурой решетки, которые обладают различной пространственной ориентацией. Поликристаллические материалы состоят из множества зерен, разделенных расстоянием, обычно составляющим несколько атомных диаметров. Наконец, межфазные границы существуют между областями, где материалы находятся в разных фазах (т. е. ОЦК рядом с ГЦК-структурами).

Макроскопические дефекты

Трехмерные макроскопические дефекты называются объемными дефектами. Обычно они встречаются в гораздо большем масштабе, чем микроскопические дефекты. Эти макроскопические дефекты обычно вносятся в материал во время очистки от его исходного состояния или в процессе изготовления.

Наиболее распространенный объемный дефект возникает из-за включения посторонних частиц в основной материал. Эти частицы второй фазы, называемые включениями, редко нужны, потому что они значительно изменяют структурные свойства. Примером включения могут быть частицы оксида в чистом металле или немного глины в структуре стекла.

Другие объемные дефекты включают газовые карманы или усадочные полости, которые обычно встречаются в отливках. Эти промежутки ослабляют материал и поэтому защищаются от них во время изготовления. Обработка и ковка металлов могут вызывать трещины, которые действуют как концентраторы напряжений и ослабляют материал. Любые дефекты сварки или соединения также могут быть классифицированы как объемные дефекты.


PDH Classroom предлагает курс повышения квалификации, основанный на этой справочной странице структуры металлов. Этот курс можно использовать для выполнения кредитных требований PDH для поддержания вашей лицензии PE.

Теперь, когда вы прочитали эту справочную страницу, заработайте за это признание!

Просмотреть курс сейчас:

Просмотреть курс

металлоконструкции

Температуры плавления и кипения

Металлы, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения из-за прочности металлической связи. Прочность связи варьируется от металла к металлу и зависит от количества электронов, которые каждый атом делокализует в море электронов, а также от упаковки.

Металлы группы 1, такие как натрий и калий, имеют относительно низкие температуры плавления и кипения, в основном потому, что каждый атом имеет только один электрон, который участвует в связи, но есть и другие проблемы:

  • Элементы группы 1 также неэффективно упакованы (8-координированы), поэтому они не образуют столько связей, как большинство металлов.

  • У них относительно большие атомы (это означает, что ядра находятся на некотором расстоянии от делокализованных электронов), что также ослабляет связь.

Электропроводность

Металлы проводят электричество. Делокализованные электроны могут свободно перемещаться по структуре в трех измерениях. Они могут пересекать границы зерен. Несмотря на то, что рисунок может быть нарушен на границе, пока атомы соприкасаются друг с другом, металлическая связь все еще присутствует.

Жидкие металлы также проводят электричество, показывая, что, хотя атомы металла могут свободно двигаться, делокализация остается в силе до тех пор, пока металл не закипит.

Теплопроводность

Металлы хорошо проводят тепло. Тепловая энергия воспринимается электронами как дополнительная кинетическая энергия (заставляет их двигаться быстрее). Энергия передается по остальной части металла движущимися электронами.

Прочность и обрабатываемость

Пластичность и пластичность

Металлы описываются как ковкие (можно бить в листы) и пластичный (можно вытягивать в провода). Это происходит из-за способности атомов перемещаться друг по другу в новые положения без разрыва металлической связи.

Если к металлу приложить небольшое усилие, слои атомов начнут катиться друг по другу. Если напряжение снова снять, они вернутся в исходное положение. В этих условиях говорят, что металл эластичен.

Если приложить большее напряжение, атомы перекатываются друг через друга в новое положение, и металл необратимо изменяется.

Твердость металлов

Этому скручиванию слоев атомов друг относительно друга препятствуют границы зерен, потому что ряды атомов не выстраиваются должным образом. Отсюда следует, что чем больше границ зерен (чем мельче отдельные кристаллические зерна), тем тверже становится металл.

Компенсируя это, поскольку границы зерен представляют собой области, где атомы не находятся в таком хорошем контакте друг с другом, металлы имеют тенденцию к разрушению на границах зерен. Увеличение количества границ зерен не только делает металл более твердым, но и делает его более хрупким.

Контроль размера кристаллических зерен

Если у вас есть чистый кусок металла, вы можете контролировать размер зерен с помощью термообработки или обработка металла.

Нагрев металла приводит к более равномерному расположению атомов, уменьшая количество границ зерен и, таким образом, делая металл более мягким.