Алюминиевые сплавы в строительстве. Сортамент. Виды, применение

1 Деформируемые алюминиевые сплавы, рекомендованные для строительства

1.1 Условные обозначения сплавав

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание;

АМц - алюминиево-марганцевый сплав.

АМг - алюминиево-магниевый.

АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль).

Д - дуралюмин.

В - высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла.

1.3 Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы

а) А л ю м и н и е в о - м а р г а н ц е в ы й с п л а в АМц

Содержит 1-1,6%. марганца. Сплав имеет низкий предел прочности - 11-17 кг/мм². Сваривается. Как правило, используется для ограждающих конструкций.

б) А л ю м и н и е в о - м а г н и е в ы й сплав АМг-6Т.

По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Хорошо свариваются. Применяются для листовых и для сварных стержневых конструкций.

Наибольшее распространение из алюминиево-магниевых сплавов получил в строительстве сплав АМг-6Т, который содержит около 6% магния и до 0,2% титана (что в марке сплава обозначено буквой Т). Предел прочности АМг-6Т -32 кг/мм² и относительное удлинение- 15%.-

Может быть рекомендован для изготовления ответственных сварных конструкций, так как при сварке теряет прочность незначительно.

Общими свойствами группы термически необрабатываемых сплавов являются: невысокая прочность и хорошая свариваемость. Для повышения прочности листов, изготовляемых из сплавов этой группы, применяется полунагартовка.

1.4 Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы

а) Д у р а л ю м и н ы

Из всех алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили дуралюмины благодаря их высокой прочности. Это термически упрочненные сплавы: Д1-Т, Д6-Т, Д-16-Т. Они характеризуются большим содержанием меди (4-5%). В меньших количествах в них входят магний и марганец. Техническими условиями проектирования конструкций из алюминиевых сплавов рекомендован к применению в строительстве высокопрочный сплав Д16-Т, как наиболее экономичный. Его предел прочности - до 49 кг/мм², относительное удлинение - 10%. Расчетные сопротивления Д16-Т превосходят характеристики стали 3 и близки к сталям повышенного качества (см. приложение I, табл. 1).

Одним из недостатков дуралюминов является меньшая по сравнению с другими сплавами стойкость против коррозии. Поэтому конструкции, выполненные из дуралюмина, следует окрашивать.

б) А л ю м и н и е в о-к р е м н и е в ы й с п л а в АВ-Т1 (а в и а л ь)

В состав сплава входят кремний, магний, марганец и медь - всего от 2 до 3%. В отличие от других компонентов кремний не образует соединения с алюминием. Здесь возникает соединение кремния с магнием, которое имеет высокую прочность и малую пластичность. Это соединение рассматривается на диаграмме состояний сплава как основной компонент. Растворимость соединения в алюминии ограничена, поэтому возможно получение пересыщенного твердого раствора и, следовательно, возможна термическая обработка сплава.

Предел прочности АВ-Т1 - 33 кг/мм². В этом отношении этот сплав приближается к стали. Рекомендуется применять его для ответственных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях.

в) В ы с о к о п р о ч н ы е с п л а в ы В65, В95, В96

В состав этих сплавов входят медь, цинк и другие легирующие элементы. По прочности данные сплавы выше низколегированных сталей. Но пока высокопрочные сплавы дороги и в строительстве могут быть использованы лишь для специальных целей. В качестве недостатка этих сплавов отмечается понижение прочности металла при нагревании их до 150^°. Сплав В65-Т применяется для изготовления заклепок.

Общими чертами всей группы термически обрабатываемых сплавов являются: высокая прочность, достигаемая в результате термического упрочнения, но в то же время нерациональность использования для них сварки в качестве соединения элементов, так как при сварке происходит отжиг околовшной зоны и, как правило, образование трещин, а следовательно, понижение прочности сварной конструкции.

2 Свойства алюминиевых сплавов как материала строительных конструкций

2.1 Диаграмма растяжения - сжатия алюминиевых сплавов

В стадии упругой работы на растяжение - сжатие алюминиевые сплавы имеют большие относительные удлинения, чем стали (фиг. 1).

Модуль упругости сплавов (тангенс угла наклона прямой на диаграмме) почти в три раза меньше, чем модуль упругости стали. Сплавы АМц, АМг, АВ имеют Е=710000 кг/см², модуль упругости дуралюмина в зависимости от марки находится в пределах 730000 -750000 кг/см².

Таким образом, деформации элементов, выполненных из алюминиевых сплавов, при равных напряжениях будут почти в три раза больше, чем деформации стальных элементов. Поэтому, применяя алюминиевые сплавы в несущих конструкциях, необходимо предусматривать мероприятия по увеличению жесткости сооружения. Модуль сдвига алюминиевых сплавов находится в пределах 266000-280000 кг/см². Коэффициент Пуассона - 0,32 - 0,36.

2.2 Устойчивость элементов, изготовленных из алюминиевых сплавов

Вследствие пониженного модуля упругости по сравнению со сталью критические напряжения для сжатых алюминиевых элементов ниже критических напряжений потери устойчивости стальных элементов при одинаковых геометрических размерах элемента. В расчете это отражается на понижении величины коэффициента устойчивости j (фиг.2; приложение I, табл. 6). Следовательно, проектируя конструкции из алюминиевых сплавов, необходимо принимать специальные меры по уменьшению расчетных длин сжатых элементов и по увеличению радиусов инерции их сечений.

2.3 Другие механические характеристики алюминиевых сплавов

Ударная вязкость сплавов ниже, чем ударная вязкость сталей. Например, дуралюмины имеют а=3 кгм/см², а сталь 3 а=8-10 кгм/см². Ползучесть при нормальной температуре наблюдается в весьма малой степени, поэтому практически не учитывается.

Расчет на выносливость может быть проделан введением поправочного коэффициента к расчетному сопротивлению металла при статических нагрузках. Этот коэффициент определяется по формуле (I) ТУ на проектирование конструкций из алюминиевых сплавов в функции отношения минимальных и максимальных усилий.

Величина коэффициента, полученного по формуле (I) для алюминиевых сплавов, ниже, чем значение соответствующего коэффициента для стали 3. Это понижение поправочного коэффициента объясняется тем, что алюминиевые сплавы хуже сопротивляются вибрационным нагрузкам, чем сталь, так как во время изготовления их образуются микротрещины в металле, особенно после термической или механической обработки.

В большей степени, чем для сталей, на понижение вибрационной прочности сплавов влияет коррозия. В качестве соединений алюминиевых конструкций, воспринимающих вибрационные нагрузки, рекомендуется применять заклепочные соединения.

Напряжения, возникающие при собственных колебаниях алюминиевых конструкций, меньше напряжений при колебании стальных .сооружений из-за меньшего веса алюминиевых элементов. По исследованиям проф. С. А. Ильясевича, динамические коэффициенты для алюминиевых мостов могут быть приняты такими же, как и для стальных.

2.4 Собственный вес алюминиевых конструкций

Одно из наиболее ценных качеств алюминиевых сплавов - это их относительно малый собственный вес при высокой прочности. Объемный вес сплавов АМг, АМц, АВ-2700 кг/м³, дуралюмина - 2800 кг/м³, то есть вес сплавов почти в три раза (в 2,7-2,9 раза) меньше веса сталей.

Как известно, в качестве характеристики прочности материала строительных конструкций с учетом собственного веса принято считать отношение расчетного сопротивления к объемному весу. Это отношение измеряется высотой столба постоянного сечения, в основании которого напряжения от собственного веса равны расчетному сопротивлению.

Для бетона марки 200

Для древесины (сосна)

Для стали 3

Для дуралюмина Д16-Т

Таким образом, по сравнению со сталью этот показатель для дуралюмина в 3,6 раза больше. Но отношение веса стальных сооружений к весу алюминиевых конструкций, эквивалентных по эксплуатационным качествам, не соответствует простому отношению характеристик "C".

2.6 Устойчивость против коррозии

Следующее высокое качество алюминиевых сплавов - это высокая стойкость их против коррозии, которая приблизительно в 20 раз больше стойкости стали. Так, в металлургическом цехе, где в воздухе имеется много сернистых газов, глубина разрушения элементов кровли в течение 20 лет не превысила 0,11 мм. За это время стальные листы пришлось бы сменить несколько раз.

С целью повышения устойчивости против коррозии производят анодирование.

Анодирование состоит из ряда электрохимических процессов по подготовке поверхности и по созданию на ней более твердой и устойчивой против коррозии пленки окислов алюминия, чем пленка, полученная при естественном окислении. Сразу же после анодирования искусственная бесцветная пленка, обладающая большой адсорбционной способностью, может быть окрашена неорганическими пигментами в любые цвета путем погружения деталей в подогретую ванну с красителем.

Детали, прошедшие такую обработку, длительное время сохраняют свежесть окраски и приданный им блеск. Заметим, что для анодирования "под золото" не требуется тратить этот драгоценный металл, так как цвет создает специальный пигмент, а блеск - окисная пленка