Металлоконструкция это: классификация и 6 основных видов

Содержание

классификация и 6 основных видов

К металлоконструкциям (МК) относят сооружения, изделия, pxlдетали, изготовленные из металлопрофиля. Наиболее востребованы стойки, колонны, устойчивые стальные балки перекрытия. Главным образом они применяются в строительной сфере, в качестве каркасов будущих сооружений. Реже – в машиностроении.

Значительная часть металлических конструкций производится массово; их изготовление стандартизировано. Сырьем для производства МК служат: чугун, сталь, цветные металлы и сплавы. Первые каркасы из составных элементов были использованы в строительстве в 19 столетии. Сегодня они вытесняют капитальные постройки.

Классификация, типы и разновидности металлоконструкций

При изготовлении металлоконструкций используется металлопрокат: балки, тавры/двутавры, швеллер, уголок, труба, катанка.

Исходя из назначения, МК делятся на:

  • Несущие — формируют каркас сооружения;
  • Для дорожного строительства — задействуются при возведении путепроводов, эстакад, ж/д;
  • Декоративные — штучные изделия для экстерьеров, интерьеров, изготавливаются на заказ, в том числе методом художественной ковки;
  • Ограждающие — заборы, ворота, калитки и их элементы.

Исходя из типа конструкции, различают 2 типа металлоконструкций:

  • цельнолитые;
  • сборно-разборные.

Различен и способ получения МК. Исходя из этого признака, металлические конструкции классифицируются как:

  • сварные;
  • штампованные;
  • клепанные;
  • болтовые;
  • винтовые;
  • комбинированные.

С точки зрения эксплуатационных характеристик, МК бывают:

  • стационарными;
  • трансформируемыми;
  • сборными.

Сооружения, возводимые с использованием металлоконструкций

Использование МК позволяет оптимизировать временные и финансовые затраты, то есть удешевить стройку. Сегодня они широко востребованы при возведении:

  • предприятий, промышленных цехов и площадок;
  • складских комплексов;
  • гаражей, боксов, ангаров;
  • спортивных объектов;
  • магазинов и торгово-развлекательных центров;
  • автосервисов и АЗС;
  • офисных центров;
  • вокзалов и остановок общественного транспорта;
  • мостов и виадуков;
  • коммуникационных систем;
  • линий электропередач, башен, мачт, антенн;
  • теплиц, беседок;
  • изделий наружной рекламы и МАФ.

Помимо этого, металлические конструкции используются в изделиях временного и вспомогательного назначения: ограждениях, опалубке, строительных лесах, лестницах, перилах, выставочных стендах, навесах и козырьках.

Преимущества строений на основе металлоконструкций

Популярность металлоконструкций в строительстве объясняется их многочисленными преимуществами. Это:

  • высокая скорость монтажа, быстрый ввод здания в эксплуатацию;
  • относительно небольшая цена комплектации;
  • сравнительно малый вес;
  • мобильность, транспортабельность;
  • возможность демонтажа и повторного использования;
  • возможность переплавки в новые изделия;
  • устойчивость материала к биологическим поражениям – гнили, плесени, грызунам;
  • огнестойкость;
  • ремонтопригодность.

В сравнении с кирпичом и бетонными блоками, МК имеют меньшую массу, что важно при возведении высотных зданий.

Уже на заводе металлоконструкции окрашиваются и подвергаются частичной сборке, что ускоряет и упрощает монтаж.

Большинство новостроек сегодня имеет металлический каркас. С течением времени эта тенденция ширится и крепнет. В частности, за счет роста популярности быстровозводимых зданий и сооружений.

Особенности металлических конструкций

Основой всех МК является металлопрокат, который подвергается холодной обработке (резка, гибка, сверление) и последующей сборке.  

Металлический каркас-основа выдерживает вес стенового материала, кровли, утеплителя. При проектировании и расчете сечения металлоизделий необходимо учитывать дополнительные нагрузки, которым будет подвергаться конструкция. Их компенсируют увеличением расхода металла.

Прочность сборной металлоизделия зависит от свойств металла и способа соединения элементов. Это может быть сварка, штамповка, болтовое соединение, ковка и клепка.

Сборка металлических конструкций для строительных нужд производится болтовым соединением либо методом сварки. В целях безопасности, сварку стоит заказывать в профильной компании.

Штамповка, клепка, ковка промышленного значения не имеют.

Нюансы возведения сооружений на основе металлоконструкций 

Особенности работы со строительными металлоконструкциями обусловлены их спецификой. По сравнению с железобетонными, они менее массивны, не подвержены деформациям, их установка занимает меньше времени.

  • Начальным этапом работы по возведению является разработка технического плана объекта, индивидуального либо типового. Достоинствами типовых планов являются экономия ресурсов – финансовых и временных.
  • В нашей компании над техническим планом трудится группа разработчиков, объединившая архитектора, геодезиста, геолога, инженера-строителя, юриста. В итоге документ отвечает требованиям СНиПа, ГОСТа, ТУ.
  • В соответствии с техническим планом, в производственных цехах осуществляется изготовление МК.
  • Здесь же наносится защитное антикор-покрытие. Параллельно на стройплощадке может выполняться закладка фундамента строения.
  • Монтаж начинается с установки металлокаркаса, когда рама крепится на фундамент. Для большей устойчивости рамы соединяются прогонами и диагональными ветровыми. Крепеж болтами и самонарезающими винтами. За счет отказа от сварки, снижаются трудозатраты.
  • После установки каркаса он обшивается стеновым материалом, утепляется, накрывается крышей. Подводятся коммуникации.

На стоимость монтажных работ влияют следующие факторы:

  • степень сложности формы металлоконструкции;
  • масштаб работы;
  • особенность грунта и сезон.

Недостатки конструкций из металла

Наряду с перечисленными выше достоинствами, конструкции из металла имеют ряд недостатков. В этом списке:

  • Относительно железобетонных, конструкции из металла имеют меньший срок эксплуатации.
  • Без дополнительной обработки металл со временем ржавеет, особенно быстро это происходит в условиях повышенной влажности.
  • Малая термостойкость. Металл не горюч, однако при нагревании до определенной температуры начинает плавиться. В условиях пожара металлокаркас деформируется, что может повлечь обрушение кровли и стен здания.
  • Необходимость в уходе и защите от внешних факторов – солей, кислот, пыли, агрессивных газов.
  • Высокая стоимость. Сталь дороже цемента, металлокаркас дороже железобетона.
  • В массе МК однотипны и однообразны; изделия из них безлики.

Устранить либо уменьшить недостатки МК можно комбинированием 2 материалов. К примеру, на одном объекте можно совмещать железобетонные колонны и стальные фермы.

Как выбрать лучшего поставщика металлоконструкций?

  • Ориентируйтесь на возраст, репутацию компании и отзывы.
  • Получите информацию у компаний, ранее строивших идентичные объекты.
  • Посетите специализированные выставки или производства, чтобы оценить технологичность и степень автоматизации оборудования.
  • Помимо этого, при выборе поставщика стоит обратить внимание на следующие моменты.
  • Прочные, безопасные и безаварийные металлоконструкции изготавливаются на основе расчетов несущей способности. У надежного производителя имеется собственное проектное бюро. Его специалисты производят расчёты с учетом условий эксплуатации объекта.
  • Отдайте предпочтение компании, в штате которой работает специалист по земляным работам и фундаментам.
  • Серьезный поставщик владеет собственной производственной базой. Привлечение подрядчиков чревато снижением качества изделий.
  • Ответственный производитель обеспечивает антикоррозийную защиту изделий. На металлические конструкции наносится слой полимера или лакокрасочные материалы.
  • Наличие гарантии. В течение гарантийного срока поставщик несет ответственность за любые производственные дефекты, проявившие себя в ходе эксплуатации. Соответственно, чем больше заявленный гарантийный срок, тем выше качество изделий и защищенность потребителя.
  • Выбранная вами компания должна иметь допуск СРО.

Плюсы сотрудничества с компанией НовоСтрой

  • Наши производственные цеха оборудованы автоматическими и полуавтоматическими линиями KEMPPI. Имеется покрасочная камера.
  • В качестве сырья используется качественная низкоуглеродистая сталь, которая выдерживает значительные перепады температур и сохранит устойчивость в случае пожара.
  • Налажена работа ОТК и лаборатории неразрушающего (ультразвукового) контроля, ведется мониторинг качества.
  • Имеется допуск СРО, сертификат СМК ISO
  • Наши металлоконструкции, используемые в качестве каркаса здания, — гарантия прочности и безопасности сооружения.
  • Ясная маркировка ускоряет идентификацию деталей при сборке и установке.
  • Честные цены без посреднических надбавок.
  • Возможность возведения объектов «под ключ».

Что такое металлоконструкция?

Главная

Что такое металлоконструкция?

Современные строительные сооружения нельзя строить без инновационных технологий, таких как металлоконструкция. Конструкции из металла позволяет строить сложные здания простыми методами. Металлоконструкция — это элемент или конструктор, который собирается в виде каркаса. Материал производится в промышленных заводах и фабриках. Металлические конструкции — это оптимальный метод сэкономить финансовые средства с хорошим уровнем качества выполненной работы. Материал изготавливается при сплаве металлов. С помощью металлических конструкций строят высотные здания в краткие сроки.

При применении стальных конструкций нужно учитывать отрицательные и положительные стороны. К главным достоинствам материала можно отнести:

  1. Минимальный вес. Материал очень легкий и прочный. По этой причине материал имеет большую популярность. Менее качественным и прочным является материал из алюминиевого сплава.
  2. Металлоконструкция производится в специальных заводах, где материал получается высшего качества. Современный метод изготовления сокращают время строительства в два раза.
  3. Материал отвечает всем показателям надежности. Материал имеет максимально высокое сопротивление.
  4. Материал обладает непроницаемостью при воздействии газа и воды. Такую характеристику дают большую плотность материала. Плотность повышается при сварке.
  5. Сохранность при переплавке. При окончании срока эксплуатации материал отправляют в комбинат для переплавки. После переплавки создается новый материал.
  6. Простота. Металлоконструкция обладает высокой прочностью. Качество материала повышается при сварке на оборудовании.

К недостаткам металлоконструкций относятся:


Ангары и складские помещения Материал без антикорозийной обработки подвержен коррозии. Из останков коррозии при сплаве добываются антикоррозионные элементы. Но таких веществ недостаточно, поскольку амортизация все равно проявляется. Также при производстве для продления срока материал покрывают красящим средством. При тщательном покрытии на поверхности материала не будет скапливаться влага и пыль. В некоторых случаях металлоконструкция может иметь пожароопасность. Чтобы снизить уровень пожароопасности материал обрабатывают специальным веществом.

При быстром строительстве конструкция из металла может широко применяться. Материал используется в виде каркаса здания. Кроме того материал применяется для внутренних коммуникационных систем. Также металлоконструкция соединяет такие элементы, как бетонные блоки, периллы лестниц, этажные перекрытия. Одним из самых качественных видов материала считается стальная конструкция, которая имеет длительный срок эксплуатации. Для строительства монолитного каркасного здания могут применяться закладные детали. Закладные детали делают для обрамления проемов и закрепления металлических конструкций. По словам специалистов, ни одно строительство здания не может обойтись без металлоконструкций. Качество металлических конструкций серьезно зависит от использованного материала при производстве.


Читайте так же:

02.07.2020 / Изготовление металлоконструкций быстровозводимого комплекса зданий автозавода

20. 08.2020 / Ангар-склад из металлоконструкций

11.05.2021 / Башня металлическая – изготовление.

28.11.2017 / Монтаж металлического каркаса здания: особенности работ

29.01.2021 / Строительство распределительно-складского комплекса из МК под ключ

30.05.2007 / Каркасные конструкции из металла

18.05.2021 / Сборка взрывозащищенного кранового оборудования.

14.11.2017 / Установка металлоконструкций: особенности монтажа, преимущества и характеристики

19.11.2020 / Строительство аэровокзального комплекса из металлоконструкций под ключ.

27.07.2017 / Листогибы — оборудование для гибки металла

Возврат к списку

Металлические конструкции — Химия LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    3629
    • Джим Кларк
    • Школа Труро в Корнуолле

    На этой странице описывается структура металлов и связывается эта структура с физическими свойствами металла.

    Структура металлов

    Металлы представляют собой гигантские структуры атомов, удерживаемых вместе металлическими связями. «Гигантский» подразумевает, что задействовано большое, но различное количество атомов — в зависимости от размера куска металла.

    12-координация

    Большинство металлов плотно упакованы, то есть в доступный объем помещается как можно больше атомов. Каждый атом в структуре имеет 12 соприкасающихся соседей. Такой металл описывается как 12-координированный.

    Каждый атом соприкасается с 6 другими атомами в каждом слое.

    Также есть 3 атома, соприкасающиеся с любым конкретным атомом в верхнем слое, и еще 3 в нижнем слое.

    На этой второй диаграмме показан слой непосредственно над первым слоем. Под ним будет соответствующий слой (на самом деле есть два разных способа размещения третьего слоя в плотно упакованной структуре, но это выходит за рамки этой темы).

    8-координация

    Некоторые металлы (в частности, в группе 1 периодической таблицы) упакованы менее эффективно, имея только 8 соприкасающихся соседей. Это 8-координатные.

    Левая диаграмма показывает, что атомы не соприкасаются друг с другом в определенном слое. Их касаются только атомы в слоях выше и ниже. На правой диаграмме показаны 8 атомов (4 сверху и 4 снизу), соприкасающихся с атомом более темного цвета.

    Кристаллические зерна

    Было бы заблуждением полагать, что все атомы в куске металла расположены упорядоченным образом. Любой кусок металла состоит из большого количества «кристаллических зерен», представляющих собой области правильной формы. На границах зерен атомы сместились.

    Физические свойства металлов

    Температуры плавления и кипения

    Металлы обычно 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, главным образом потому, что каждый атом имеет только один электрон, который вносит свой вклад в связь, но есть и другие проблемы:

    • Элементы группы 1 также неэффективно упакованы (8-координированы), так что 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.

    Пластичность и пластичность

    Металлы подразделяются на ковкие (можно раскатывать в листы) и пластичные (можно вытягивать в проволоку). 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 усилие, атомы перекатываются друг через друга в новое положение, и металл необратимо изменяется.

    Твердость металлов

    Перекатыванию слоев атомов друг по другу 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.

    Несмотря на это, поскольку границы зерен — это 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 кусок чистого металла, вы можете контролировать размер зерен с помощью термической обработки или обработки металла. Нагрев металла приводит к более равномерному расположению атомов, уменьшая количество границ зерен и, таким образом, делая металл более мягким. При ударах по металлу, когда он холодный, образуется много мелких зерен. Таким образом, холодная обработка делает металл тверже. Чтобы восстановить его работоспособность, вам нужно будет его снова нагреть.

    Вы также можете нарушить правильное расположение атомов, вставив в структуру атомы немного другого размера. Сплавы , такие как латунь (смесь меди и цинка), тверже исходных металлов, потому что неравномерность структуры помогает предотвратить скольжение рядов атомов друг по другу.

    Участник

    Джим Кларк (Chemguide.co.uk)


    Эта страница под названием «Металлические конструкции» используется в соответствии с незаявленной лицензией, автором, ремиксом и/или куратором этой страницы является Джим Кларк.

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или Страница
      Автор
      Джим Кларк
      Показать страницу TOC
      № на стр.
    2. Теги
        На этой странице нет тегов.

    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 зажимов
    • Калькулятор потери устойчивости колонны
    • Калькулятор роста усталостной трещины


    Распространенные 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.

    Рис. 2. Распространенные типы решеток
    Объемно-центрированная кубическая

    В объемно-центрированном кубическом расположении атомов (ОЦК) 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 зажимов
    • 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.
    Рисунок 5: Кривая охлаждения для 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, в которых 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
    405 Нержавеющая сталь 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 зажимов
    • 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. Междоузельные дефекты возникают из-за того, что примесь находится в междоузлии или один из атомов решетки находится в междоузлии, а не в своем 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.