Лекция 2 Свойства и классификация конструкционных материалов

Конструктор подбирает конструкционный материал с учетом его качества. Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих требованиям в соответствии с его назначением. Эти свойства в конечном итоге определяют эксплуатационные и потребительские характеристики изделия.

Свойства конструкционных материалов разделяют на: механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства определяются способностью материала сопротивляться внешним физическим воздействиям. К основным механическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:

– прочность – это способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок;

– твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела под действием нагрузки;

– пластичность – это способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения под действием нагрузки;

– вязкость – это способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил;

– упругость – это способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию;

– хрупкость – это способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без видимой пластической деформации.

К физическим свойствам относят характеристики физического состояния материалов и отношение материала к различным физическим процессам. К основным физическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:

– плотность – физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма;

– теплопроводность – это свойство материала переносить теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым;

– электропроводность – это способность материала проводить без потерь на выделение тепла электрический ток;

– температура плавления вещества – это температура фазового перехода материала из твердого состояния в жидкое.

– магнитные свойства – это способность материала хорошо намагничиваться;

– коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. К основным химическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:

– химическая стойкость – способность материалов противостоять разрушающему действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов, органических растворителей;

– биологическая стойкость – свойство материалов и изделий сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий;

– растворимость – способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других растворителях;

Технологические свойства – это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки, и дающие возможность получать заготовки, а из заготовок – изделия. К технологическим свойствам относят следующие свойства:

– ковкость – это способность материала подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь;

– свариваемость – это способность материалов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств;

– обрабатываемость резанием – это способность материалов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента;

– склонность к термической обработке – способность материалов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств;

– литейные свойства – определяются способностью материала обладать в расплавленном состоянии жидкотекучестью и минимальной объемной и линейной усадкой при затвердевании.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. К эксплуатационным свойствам относятся:

– жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;

– жаропрочность – эти свойства характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре;

– износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении;

– коррозионная стойкость – это свойство характеризует способность материалов сопротивляться коррозии в различных средах;

– холодостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;

– антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Таким образом, выбор материала представляет собой сложную технико-экономическую задачу, в решении которой необходимо учитывать экономические, технологические и эксплуатационные соображения.

По принципиальной классификации все конструкционные материалы принято делить на следующие виды (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Принципиальная классификация конструкционных материалов

Металлы (от латинского metallum –рудник) – группа материалов, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность. Металлические материалы наиболее распространены в машиностроении, к этой группе материалов относятся все металлы и их сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:

– Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.

– Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.

Под чистыми металлами понимают твёрдые вещества, состоящие только из одного компонента. Чистые металлы редко используют в машиностроении. Наиболее распространено использование металлических конструкционных материалов в виде сплавов.

Под сплавами понимают твёрдые вещества, образованные сплавлением двух или более металлических компонентов. Сплавы на основе железа принято называются черными, а на основе цветных металлов – цветными.

Среди цветных сплавов различают легкие и тяжелые сплавы. Легкими цветными сплавами называют сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность. Тяжелыми цветными сплавами называют сплавы на основе меди, олова. Такие сплавы имеют большую плотность.

По температуре плавления цветные сплавы бывают легко – и тугоплавкие. Легкоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута. Тугоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные материалы. Среди них также можно выделить несколько групп:

Пластмассы – это материалы на основе высокомолекулярных соединений (синтетических полимеров), как правило, с наполнителями. Наполнителями пластмасс называют порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные материалы, которые определяют свойства пластмасс. Различают пластмассы с твердым наполнителем (полиэтилены, полистиролы, поликарбонаты и т.п.), а также с газофазовым наполнителем (пенопласты, поропласты и т.п.). Также известны слоистые и волокнистые пластмассы (текстолиты, гетинаксы, стекловолокниты и т.п.).

Керамика – это материал на основе порошков тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂. Керамика превосходит другие материалы по твердости и износостойкости. К преимуществам керамики относятся низкий коэффициент трения и стойкость к воздействию агрессивных сред и высокой температуры.

По назначению керамика может быть разделена на строительную, бытовую и художественно-декоративную, техническую.

Стекло – это материал на 75% состоящий из двуокиси кремния, которую можно получить из кварцевого песка при помощи очистки его от всевозможных загрязнений. В стекле также присутствует окись кальция, благодаря которой материал приобретает стойкость, а также привычный блеск, оксид калия или натрия, которые необходимы для плавки самого стекла.

Резина – это материалы на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других элементов. Различают естественный (сок бразильской гевеи) и синтетический (изопреновый, бутадиеновый) каучуки. Основное свойство резины — очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлением разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью.

Дерево – это сложная органическая ткань древесных растений. Достоинствами древесины являются относительно высокая прочность; малая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность; хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам; малая теплопроводность и, следовательно, хорошие теплоизоляционные свойства; химическая стойкость; хорошая технологичность (легкость обработки и изготовления изделий). Материалы из древесины можно разделить на лесоматериалы, сохраняющие природную физическую структуру и химический состав древесины и древесные материалы, полученные путем специальной обработки исходной древесины.

Композиты – это сложные материалы, в состав которых входят отличающиеся по свойствам нерастворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твердые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной или керамической.

Упрочнители присутствуют в матрице в виде нитей, волокон или хлопьев. Характеристика композитов по материалу матрицы и армирующих элементов указывает на природу композитов. Название композитов состоит обычно из двух частей: в первой указывается материал армирующего элемента, второй материал матрицы (например, углепластик – материал на основе полимера, армированный волокнами твердого углерода). Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми свойствами.

Для оптимального выбора материалов в машиностроении используют более подробные классификации. Так, например классификация сталей и сплавов производится: по химическому составу; по структурному составу; по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей); по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице; по назначению. Например, по химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на группы: малоуглеродистые – менее 0,3% С; среднеуглеродистые – 0,3...0,7% С; высокоуглеродистые – более 0,7 %С. По качеству, то есть по способу производства и содержанию примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы (таблица 2.1).

Таблица 2.1. Классификация сталей по качеству

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. В свою очередь конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Контрольные вопросы к лекции 2:

1. Перечислите механические свойства материалов.

2. Перечислите технологические свойства материалов.

3. В чем заключается способность материалов к обработке резанием.

4. В чем заключаются литейные свойства материалов.

5. Охарактеризуйте эксплуатационные свойства материалов.

6. Опишите особенности металлических конструкционные материалы и принципиально классифицируйте такие материалы.

7. Классифицируйте неметаллические конструкционные материалы.

8. Чем руководствуются при выборе материалов в машиностроении и на что влияет этот выбор.