Kiến trúc - Xây dựng - Chương 7: Vật liệu kim loại

CHƯƠNG 7 VẬT LIỆU KIM LOẠI Vật liệu xây dựng – Phần 2 Khái niệm: Vật liệu kim loại dùng trong xây dựng gồm:  Kim loại đen  Kim loại màu Ưu điểm:  Cường độ cao  Nhẹ  Kết cấu thanh mảnh, khẩu độ nhịp lớn Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại 1965-1967 Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại Nhược điểm:  Giá thành xây dựng cao  Chi phí bảo dưỡng lớn Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại 1. Phân loại:  Kim loại đen: thép và gang Là hỗn hợp của sắt – cácbon và một số nguyên tố khác như silíc, mangan, phốt pho, lưu huỳnh... Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại Phân loại thép và gang Thép C< 2% Thép cácbon thấp C ≤ 0.25% Thép cácbon trung bình C=0.25-0.6 % Thép cácbon cao C = 0.6 – 2% Gang 2% ≤ C ≤ 6%  Kim loại đen: thép và gang Hàm lượng cácbon tăng thì tính chất của thép và gang thay đổi theo hướng:  Độ dẻo giảm  Độ giòn tăng  Cường độ nén tăng Kết cấu chịu tải trọng động (chịu mỏi) nên dùng thép cácbon thấp Vật liệu kim loại 1. Phân loại:  Thép hợp kim: Thêm vào thép các nguyên tố kim loại tốt để nâng cao các tính chất của thép. Các kim loại hợp kim gồm:  Mangan  Crôm  Niken  Molipden  Đồng  Nhôm, v.v Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại Phân loại thép hợp kim (theo tổng hàm lượng các nguyên tố hợp kim thêm vào) Thép hợp kim Thép hợp kim thấp ≤ 2.5% Thép h.kim trung bình 2.5-10 % Thép hợp kim cao > 10%  Thép hợp kim:  Chịu ăn mòn tốt,  Tính đàn hồi cao Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại Phân loại kim loại màu (theo khối lượng thể tích) Kim loại màu Nhẹ Nhôm, magiê, ... Nặng Đồng, thiếc,... 2. Cấu trúc tinh thể kim loại  Tất cả các kim loại và hợp kim khi ở trạng thái rắn đều là chất kết tinh (có cấu trúc tinh thể). Mạng tinh thể là mô hình không gian của sự sắp xếp các chất điểm (nguyên tử) trong chất kết tinh. Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại 2.1. Các dạng mạng tinh thể thường gặp của kim loại  Lập phương thể tâm  Lập phương diện tâm  Lục giác xếp chặt Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại 2.1. Các dạng mạng tinh thể thường gặp của kim loại  Lập phương thể tâm Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và trọng tâm của hình lập phương. Các kim loại thường có cấu trúc mạng này gồm: Fe; Cr; W; Mo; v.v. Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại 2.1. Các dạng mạng tinh thể thường gặp của kim loại  Lập phương diện tâm Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và tâm của các mặt của hình lập phương. Các kim loại thường có cấu trúc mạng này gồm: Fe; Cu; Ni; Al; Pb; v.v. Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại 2.1. Các dạng mạng tinh thể thường gặp của kim loại Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại  Lục giác xếp chặt 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở tâm hai đáy, và 3 nguyên tử nằm ở tâm của 3 khối lăng trụ xen kẽ. Các kim loại thường có cấu trúc mạng này gồm: Be; Mg; Ti; Co; v.v. 2.2. Tính thù hình của kim loại Tính chất của một số nguyên tố kim loại thay đổi kiểu mạng cấu trúc ở nhiệt độ và áp suất khác nhau gọi là tính thù hình. Những kiểu mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố kim loại gọi là các dạng thù hình. Ký hiệu: α, γ, β, δ, ... tăng dần theo nhiệt độ. Khi biến đổi dạng thù hình sẽ dẫn đễn biến đổi về thể tích và tính chất của kim loại. Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại Hình 7.5. Đường nguội của sắt kết tinh 2.3. Sự kết tinh của kim loại Phần lớn kim loại được sản xuất bằng phương pháp nấu chảy. Sau đó đem đúc để thành hình sản phẩm hoặc bán thành phẩm. Chất lượng của vật đúc tùy thuộc vào quá trình chuyển biến từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (tinh thể), tức là quá trình kết tinh. Vật liệu kim loại 2. Cấu trúc tinh thể kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại 4.1. Biến dạng Khi chịu tác dụng của tải trọng, kim loại có 3 giai đoạn biến dạng:  Biến dạng đàn hồi: quan hệ ε-σ là bậc nhất;  Biến dạng dẻo: biến dạng tăng khi tải trọng tăng không đáng kể đến giới hạn chảy, σc  Biến dạng phá hủy: Phá hoại xảy ra khi tải trọng đạt đến Pmax, mẫu kim lại xuất hiện vết nứt. Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại Pmax Các giai đoạn biến dạng khi kéo mẫu thép 4.1. Biến dạng Các đại lượng đặc trưng cho biến dạng:  Độ dãn dài tương đối  Độ thắt tương đối  Biến dạng đàn hồi Et là mô đun đàn hồi của thép, thường bằng 200000 MPa Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại .100 l Δl δ o  o ko F FF Ψ   tE σ ε  Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại Mô hình trượt giữa các mạng tinh thể, nguyên nhân gây ra biến dạng 4.2. Cường độ Khi thí nghiệm kéo mẫu thép, đặc trưng cường độ của VL kim loại gồm 3 chỉ tiêu sau:  Giới hạn đàn hồi , MPa (200-300)  Giới hạn chảy , MPa (250-350)  Giới hạn bền , MPa (600-700) Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại o đh đh F P σ  o c c F P σ  o max b F P σ  Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại Hình 7.7. Quan hệ ứng suất - biến dạng của một số loại thép σ0.2 4.2. Cường độ Trong kỹ thuật thường dùng giới hạn chảy quy ước σ0.2, đó là ứng suất ứng ứng với trạng thái có biến dạng dư bằng 0.2% chiều dài ban đầu của mẫu. Thép qua gia công kéo nguội thường có giai đoạn chảy rất ngắn. Vật liệu kim loại 4. Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Trong xây dựng chủ yếu dùng thép các bon và thép hợp kim thấp 5.1. Thép các bon Là thép có thành phần hóa học chủ yếu là Fe và C (C<2%), và một số nguyên tố khác, như: Mn≤0.8%; Si≤0.5%; P,S≤ 0.05%; Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti... Mn và Si có tác dụng nâng cao cơ tính của thép; P và S làm giảm chất lượng của thép, tăng tính giòn nguội, nhưng lại tạo tính dễ cắt gọt. Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Phân loại thép các bon Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Theo phương pháp luyện Thép lò Mactanh chất lượng tốt khử tốt P, S sản lượng thấp Thép lò thổi oxy khử P, S kém sản lượng cao Thép lò điện sản xuất thép cácbon đặc biệt Phân loại thép các bon Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Theo mức độ khử oxy Thép sôi khử chưa hết FeO Thép lặng khử hết FeO Thép nửa lặng Phân loại thép các bon Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Theo phạm vi sử dụng Thép cácbon xây dựng Thép cácbon chi tiết máy Thép cácbon công cụ Phân loại thép các bon Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Theo chất lượng thép Thép cácbon thường S≤0.06% P≤0.07% Thép cácbon tốt S<0.04% P≤0.035% Thép cácbon chất lượng cao S≤0.025% P≤0.025% Thép cácbon đặc biệt S≤0.015% P≤0.015% Các loại thép các bon thường dùng trong xây dựng Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Chủ yếu là loại cán nóng (tấm, thanh, hình...) S<0.06%, P<0.07% Thép nhóm A chỉ quy định về cơ tính Thép nhóm B chỉ quy định về thành phần hóa học Thép nhóm C quy định cả về cơ tính & thành phần hóa học Một số loại mặt cắt thép kết cấu điển hình Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Bảng 7.1. Thép các bon nhóm A Ký hiệu: CT + chỉ số chỉ hàm lượng các bon tăng dần (giới hạn bền kéo) Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Sè hiÖu thÐp b N/mm2 0.2 N/mm2 δ % Sè hiÖu thÐp b N/mm2 0.2 N/mm2 δ %Nga VN Nga VN CT0 CT1 CT2 CT3 CT31 CT33 CT34 CT38  310 320-420 340-440 380-490 - - 200 210 35 31 29 23 CT4 CT5 CT6 CT42 CT51 CT61 420-540 500-640 600 240 250 300 21 17 12 δ: độ dãn dài khi đứt, % Bảng 7.2. Thép các bon nhóm B Ký hiệu: (B)CT + chỉ số chỉ hàm lượng các bon tăng dần (giới hạn bền kéo) Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Sè hiÖu thÐp C % Mn % Si trong thÐp,% S,% P,% Nga VN S«i Nöa lÆng LÆng Kh«ng lín h¬n CT0 CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 BCT31 BCT33 BCT34 BCT38 BCT42 BCT51 BCT61 0.23 0.06-0.12 0.09-0.15 0.14-0.22 0.18-0.27 0.28-0.37 0.38-0.49 - 0.25-0.50 0.25-0.50 0.30-0.65 0.40-0.70 0.50-0.80 0.50-0.80 - 0.05 0.50 0.07 0.07 - - - 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 - 0.12-0.30 0.12-0.30 0.12-0.30 0.12-0.30 0.12-0.35 0.12-0.35 0.06 0.05 0.05 0.06 0.05 0.05 0.05 0.07 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 Thép cácbon nhóm C Có quy định về cơ tính như thép nhóm A, và có quy định về thành phần hóa học như thép nhóm B. Ký hiệu: BCT+ chỉ số chỉ hàm lượng cácbon tăng dần - Nga CCT+ giới hạn kéo đứt - VN Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng 5.2. Thép hợp kim Các nguyên tố kim loại thêm vào với các chức năng: Mn: tăng độ bền và độ cứng, thép làm cầu và các công trình;  Si: để khử các oxít;  Cr: tăng độ bền, độ cứng, chống ăn mòn, chịu nhiệt;  Ni: tăng độ bền, chịu va chạm; Mo: tăng độ bền mỏi;  Cu: chịu ăn mòn Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng 5.2. Thép hợp kim Ký hiệu:  Theo TCVN 1659-75: phần vạn C + nguyên tố hợp kim + % nguyên tố hợp kim VD: 9Mn2: 0.09%C – 2%Mn  Theo tiêu chuẩn Nga: như TCVN, tên nguyên tố hợp kim là chữ cái đầu theo bảng chữ cái của Nga VD: 12X2: 0.12%C – 2%Cr Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng Ký hiệu:  Theo tiêu chuẩn Mỹ (SAE): gồm 4 chữ số; 2 chữ số đầu chỉ loại thép, 2 chữ số sau chỉ phần vạn hàm lượng C. VD: 2320 – Thép Niken chứa 0.20%C  Theo tiêu chuẩn Nhật: gồm S – Chữ cái biểu thị công dụng, chủng loại – Chữ số biểu thị loại thép hoặc số thứ tự vật liệu thép hay giới hạn dưới của độ bền. VD: S M 400 : Thép - cácbon trung bình – σb ≥400 MPa Vật liệu kim loại 5. Các loại thép xây dựng 6. Cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép Cốt thép cho BT cốt thép và cốt thép dự ứng lực (DUL/UST) gồm thép các bon và thép hợp kim. Vật liệu kim loại 6. Cốt thép cho kết cấu BTCT Vật liệu kim loại 6. Cốt thép cho kết cấu BTCT Lo¹i cèt thÐp d, mm M¸c cña thÐp Lo¹i thÐp AI 6-40 CT3 ThÐp c¸c bon th­êng nhãm A, B AII 10-40 BMCT 5 C BKCT 5C ThÐp c¸c bon th­êng nhãm B 40-90 18 2C ThÐp c¸c bon thÊp AII 6-40 20 2C, 35C ThÐp hîp kim c¸c bon, silic, mangan AIV 10-32 20X 2 ThÐp hîp kim c¸c bon, mangan, thiÕc 10-18 20XCT ThÐp hîp kim c¸c bon cr«m, silic, mangan, titan AV 10-18 23X 22 ThÐp cr«m, mangan, thiÕc ATK 6-9 65, 60C2 ThÐp hîp kim thÊp, silic, mangan Bảng 7.3. Tiêu chuẩn cốt thép của VN và Nga Vật liệu kim loại 6. Cốt thép cho kết cấu BTCT Bảng 7.4. Các yêu cầu tối thiểu về cường độ cốt thép theo ASTM Sản phÈm Tiªu chuÈn ASTM Tªn gäi C­êng ®é uèn cùc tiÓu, (MPa) C­êng ®é kÐo cùc tiÓu, (MPa) Cèt thÐp thanh A616 CÊp ®é 50 CÊp ®é 60 345 415 550 620 A617 CÊp ®é 40 CÊp ®é 60 275 415 480 620 A706 CÊp ®é 60 414 550 ThÐp thanh ®­îc tr¸ng kÏm A767 T­¬ng tù nh­ cèt thÐp thanh ThÐp thanh ®­îc tr¸ng Epoxy A775 T­¬ng tù nh­ cèt thÐp thanh D©y dù øng lùc A416 CÊp ®é 250 1465 1725 BÖn 7 d©y CÊp ®é 250 1555 1725 D©y CÊp ®é 270 1580 1860 CÊp ®é 270 1675 1860 ThÐp c©y A421 1375 1620 A722 kiÓu 1 880 1035 6. Cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép 6.1. Sự dính bám Cơ chế tạo dính bám giữa bề mặt cốt thép với bê tông gồm:  Phản ứng hóa học giữa cốt thép và xi măng; Ma sát, neo móc;  Hiệu ứng poisson Vật liệu kim loại 6. Cốt thép cho kết cấu BTCT Vật liệu kim loại 6. Cốt thép cho kết cấu BTCT Hình 7.8. Các dạng cốt thép 6.2. Tính biến dạng Cốt thép phải có tính biến dạng tốt và phù hợp với biến dạng của vật liệu nền (bê tông) 6.3. Tính bền lâu  Chịu mỏi;  Chịu nhiệt;  Chịu ăn mòn Vật liệu kim loại 6. Cốt thép cho kết cấu BTCT 7. Ăn mòn kim loại 7.1. Khái niệm Là sự phá hủy bề mặt kim loại do tác động của các yếu tố môi trường. Các loại ăn mòn:  Ăn mòn hóa học: do tác dụng hóa học trực tiếp, ko phát sinh dòng điện, ít xảy ra trong thực tế.  Ăn mòn điện hóa: xảy ra trong môi trường điện ly, có phát sinh dòng điện, xảy ra phổ biến. Vật liệu kim loại 7. Ăn mòn kim loại Ăn mòn điện hóa: Điều kiện xảy ra:  Có sự chênh lệch về điện thế trong kim loại: kim loại không nguyên chất.  Có môi trường điện ly: môi trường ẩm, có hòa tan nhiều tạp chất (CO2; SO2; H2S; ...). 2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ +6e- 2Fe → 2Fe2+ + 2e- Fe2+ +2H2O → Fe(OH)2 + 2H+ Fe + 2Cl- → Fe2+ +2Cl- + 2e- Vật liệu kim loại 7. Ăn mòn kim loại Vật liệu kim loại 7. Ăn mòn kim loại Cơ chế ăn mòn điện hóa Vật liệu kim loại 7. Ăn mòn kim loại Hậu quả của ăn mòn cốt thép Bảo vệ cốt thép chống ăn mòn: Nguyên lý chung: Ngăn chặn nguồn ẩm;  Hạn chế tạp chất. Các giải pháp:  Lớp bê tông bảo vệ tốt;  Bọc phủ bề mặt kim loại (sơn, mạ...);  Dùng nguyên tố hợp kim chịu ăn mòn cao (Cr; Cu; ...);  Phương pháp điện hóa (bảo vệ catốt). Vật liệu kim loại 7. Ăn mòn kim loại