Для атмосферостойких сталей техническими условиями установлен предел текучести, равный 350 МПа. Типичный химический состав стали (%): углерод – 0,15, марганца – 1,35, меди -0,2-0,5, хрома – 0,3-0,5 и никеля – 0,25-0,5. Небольшое содержание никеля и углерода придает высокую ударную вязкость при низких температурах; добавка небольшого количества хрома увеличивает прочность на разрыв, а медь обеспечивает стойкость к коррозии.
Нержавеющие стали малоуглеродистые, содержат до 12% хрома, который придает этим сплавам стойкость к коррозии. Существуют две группы нержавеющих сталей серии 300 и 400; они имеют трехзначные кодовые номера для обозначения типа сплава, например, 304, 430 и т. п. Стали серии 400 содержат 12% хрома или, более и являются магнитными, серии 300 – 18-20% хрома и около 10% никеля и являются немагнитными. Сплавы серии 400 не рассматриваются, хотя иногда они применяются в строительстве, например сталь 430 – в качестве обшивки дымовых труб.
Чистый алюминий – очень мягкий, слабый металл с пределом прочности на разрыв, равным около 80 МПа. В строительстве алюминий применяется в виде сплавов для обеспечения достаточной прочности, превышающей прочность мягкой стали. Однако высокопрочные сплавы обладают ограниченными вязкостью и стойкостью к коррозии и поэтому не используются в указанных целях.
В строительстве употребляют плоские и волнистые алюминиевые листовые материалы для устройства кровельных навесов и облицовки стеновых панелей, то есть в тех случаях, когда необходимы пластичность и коррозионная стойкость. Там, где требуется сверхвысокая коррозионная стойкость, предпочтителен относительно чистый алюминий – сплав 3003 или сплав алюминия с небольшим количеством марганца. Другая область применения алюминия – специальные оконные и отделочные профили, швеллеры и Н-образные балки. Профили изготовляют из сплавов с пределом прочности на разрыв примерно 280 МПа; почти всегда это магниевые или магний кремниевые сплавы алюминия. Стальные профили производят способом прокатки слитков на прокатном стане; алюминиевые профили изготовляют из небольших круглых болванок методом экструзии.
Мундштуки для экструзии относительно недороги, поэтому выгодно проектировать специальный алюминиевый профиль для строительных и отделочных целей. Затраты на изготовление мундштука окупаются стоимостью нескольких сотен метров экструзионных изделий. Этим объясняется неограниченное разнообразие алюминиевых отделочных профилей.
Профили из алюминия, как правило, анодируются. Анодирование – электрохимический процесс увеличения толщины покрытия из защитного естественного окисла алюминия. Таким путем повышается стойкость к коррозии и твердость, улучшаются внешний вид и гигиенические свойства материала.
Из широкого разнообразия фирменных марок стали наиболее известны "Сог-Ten" и "Т-1". Они типичные представители этой группы, содержат небольшие количества марганца, кремния, никеля и для увеличения прочности – хрома, ниобия, ванадия, титана. Ниобий – широко распространенный легирующий элемент, добавка только 0,02% ниобия повышает прочность на разрыв на 70-105 МПа.
На высокопрочной малолегированной атмосферостойкой стали образуется тонкая пленка окисного железа, которая защищает материал от коррозии при атмосферных воздействиях. Таким образом, сталь не нуждается в окраске, за исключением тех случаев, когда это необходимо из-за суровых климатических условий. По мере образования защитного окисла цвет стали изменяется от оранжевого к коричневому и, наконец, переходит в постоянный голубова-вато-серый. Образование окисла на поверхности конструкций внутри здания может оказаться неполным, если содержание водяного пара в воздухе помещения низкое.
Элементы из нержавеющей стали, как правило, крепятся фурнитурой из таких же сплавов, так как применение разнородных металлов может привести при наличии влаги к гальванической коррозии. Нержавеющие стали серии 300 обладают тепловым расширением, на х/3 большим, чем тепловое расширение стандартных сталей. Это может привести к короблению после сварки, особенно листов небольшой толщины. Поверхности нержавеющей стали можно придать различные отделки, которые обозначаются от № 1 до 8. Наиболее распространены два их вида.
Твердость материалов – ключ к другим их свойствам. Более твердая сталь, например, является более прочной и износостойкой, но менее пластичной. Металлы должны испытываться с целью определения качества сварки или тепловой обработки. Сварочная операция, вызывающая образование сравнительно твердых участков в стальной конструкции, должна рассматриваться как опасная, так как такие участки обладают повышенной хрупкостью.
Испытание на твердость по Бринеллю сопряжено с порчей образца из-за глубокой вмятины. При испытании твердости по Роквеллу вмятина так незначительна, что не портит образец.
Прибор Роквелла снабжен циферблатом твердости, разделенным на две шкалы: Роквелл В и Роквелл С, сокращенно обозначаемыми Рв и Рс. Испытанию по шкале Роквелл В подвергаются мягкие стали, включая строительные, по шкале Роквелл С- закаленные. При испытании по Рв применяется шарик из закаленной стали с диаметром 1,59 мм при нагрузке до 1000 Н.
Сначала с помощью прибора прилагают нагрузку в 1 Н, затем оператор устанавливает стрелку на циферблате на отметке "Пуск" и дает основную нагрузку в 1000 Н. Далее главная нагрузка снимается и твердость отсчитывается по шкале. При испытании по Рс применяют конический ромбовидный индентор с основной нагрузкой в 1500 Н. Методика проведения испытаний аналогична. Прибор Роквелла измеряет глубину вдавливания от основной нагрузки, но на шкале вместо глубины вдавливания обозначены числа твердости по Роквеллу. Любое перемещение образца во время испытания приведет к неверным показаниям. Обычно первые результаты испытаний ненадежны и не учитываются.
Стандартная конструкционная сталь, применявшаяся десятилетиями, называлась "строительная сталь". Это была малоуглеродистая сталь, которую получали в соответствии с Техническими условиями ASTM A7. В них отсутствовали требования к химическому составу, величина показателя ударной прочности (по Шарпи) не нормировалась, и это часто приводило к авариям. Предел текучести составлял 230, предел прочности на разрыв – 420 МПа, удлинение -около 20% на 50 мм длины. Расчетное напряжение для этой стали составляло 140 МПа.
Новые высокопрочные малолегированные стали заменили сталь марки А7. Они характеризуются малым содержанием углерода и легирующих элементов; предел прочности на разрыв для некоторых марок может составлять 840 МПа. При небольшом содержании легирующих добавок увеличение стоимости по сравнению с маркой А7 минимальное, трудности при сварке таких сталей не возникают, поскольку содержание углерода составляет 0,2% или менее. Рецептура сплава составлена таким образом, чтобы сталь обладала стойкостью к атмосферным воздействиям. Некоторые марки могут эксплуатироваться без покраски: сталь защищена оксидными пленками.
Широкий диапазон материалов – от мягких пластмасс до твердых каменных пород – обусловливает многообразие методов определения их твердости. Почти все они связаны с измерением стойкости материала к вдавливанию индентора какого-либо вида. Небольшой след от индентора означает высокую твердость, и наоборот. Шкала твердости по Моосу, рассматриваемая в разд. 4.2,- исключение.
В приборе для испытания твердости по Бринеллю шарик из закаленной стали диаметром 10 мм вдавливается в образец под нагрузкой в 30 тыс. Н для стали и 5 тыс. Н для таких цветных металлов, как бронза или алюминий. Твердость по Бринеллю определяется для не очень твердых сталей, иначе шарик может деформироваться. В равной степени нельзя проводить испытание на тонком материале, например на листе, толщина которого менее 6,4 мм: он будет деформироваться при вдавливании шарика.
При испытании твердости мягкой стали по Роквеллу показания прибора лежат в диапазоне Рв т 60-80, что меньше нулевого показания при Рс. Максимальная твердость, обнаруженная сталью по Рс составляет 65-67. Такая твердость отличает высокоуглеродистые стали.
Алюминий и его сплавы обладают массой втрое меньше массы стали. Это одно из основных преимуществ, учитываемых при использовании алюминия в строительстве. чКроме этого, алюминий имеет приятный серебристый цвет; он влаго – и атмосферостоек.
От коррозии его защищает тонкая оксидная пленка К Подобно стали, этот металл производится в виде ряда сплавов, обладающих широким диапазоном свойств. Ему присущи и недостатки: высокий коэффициент теплового расширения (вдвое больший, чем у стали), втрое меньший по сравнению со сталью модуль упругости.При проектировании конструкций следует иметь в виду, что заменяющие сталь алюминиевые элементы должны иметь не 1/3 массы стальной конструкции, как это можно было бы принять исходя из сравнения объемных масс металлов, а вдвое больше.