Классификация конструкционных материалов

Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, сооружений, которые работают в условиях механических нагрузок. Конструкционные материалы должны сопротивляться этим нагрузкам, т. е. не разрушаться и не деформироваться при эксплуатации.

Применяемые в современной технике конструкционные материалы можно классифицировать по различным признакам. (Например, по назначению.) Так как структура материала в значительной степени определяет его свойства, то рассмотрим классификацию конструкционных материалов по структуре. За главный признак здесь принята степень упорядоченности элементов структуры в пространстве. Можно выделить четыре основные группы материалов:

Кристаллы

Материалы первой группы – кристаллы – имеют упорядоченное расположение частиц в пространстве. Эти частицы могут представлять собой атомы, ионы или молекулы в разных типах кристаллов.

Важнейшее свойство кристаллов – сохранять форму при нагреве до определенной температуры, при которой происходит плавление.

В процессе охлаждения из жидкого состояния кристаллизация, или переход в твердое состояние происходит при той же температуре. Кривые нагрева и охлаждения у кристаллических веществ симметричны и имеют четко выраженные горизонтальные участки (рис. 1, а). Их протяженность соответствует времени, необходимому для разрушения или установления правильного, упорядоченного расположения частиц в объеме кристалла.

а б

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения

кристаллического (а) и аморфного (б) вещества

К кристаллам относятся все металлы и сплавы, существуют также ионные, ковалентные и молекулярные кристаллы.

Стекла

Противоположная кристаллам группа – это аморфные материалы, или стекла. Они не имеют упорядоченного расположения частиц (атомов, молекул) в пространстве. Их структура подобна структуре жидкости, где возникают и исчезают отдельные участки с упорядоченным строением. Они и являются, по сути, переохлажденными жидкостями с огромной вязкостью.

Стекла при нагревании размягчаются постепенно, при охлаждении постепенно затвердевают. Кривая нагрева и охлаждения у них плавная, без перегибов и ступенек (рис. 1, б).

Стекла – твердые, но очень хрупкие материалы, устойчивы в агрессивных средах; обычно используются их оптические свойства.

Примерами таких материалов являются широко применяемое оконное силикатное стекло и другие виды стекол. Их получают сплавлением основных и кислотных оксидов при высоких температурах.

Многие вещества могут существовать как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии; научились получать даже аморфные металлы.

Керамики

Керамики – это материалы, полученные спеканием минеральных порошков при высокой температуре. Они состоят, в основном, из кристаллической фазы с аморфными прослойками, имеют значительную пористость. Кристаллическая фаза представляет собой ионные и ковалентные соединения.

Традиционные керамические материалы изготавливаются из глин различного состава. Это кирпич, строительная и бытовая керамика.

Современная тонкая керамика содержит мало пор и может состоять полностью из кристаллической фазы.

Свойства керамики: очень твердые материалы, выдерживают высокие температуры, долговечны, но по сравнению с металлами более хрупки.

Примеры современной технической керамики: огнеупоры, твердые сплавы, антифрикционные материалы, фильтры, теплоизоляционные материалы, плотная керамика для деталей машин, электроизоляторы.

Пластмассы

Пластмассы, или высокополимеры – это искусственные твердые материалы с большой молекулярной массой (свыше 10⁴ атомных единиц). Структурным элементом в пластмассах является макромолекула – линейное или разветвленное образование из большого числа молекул мономера, соединенных ковалентными связями: (–CH₂–CH₂–)_n.

В термопластичных пластмассах между макромолекулами действуют только относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса; в термореактивных полимерах линейные макромолекулы соединены поперечными ковалентными связями.

Макромолекулы в пластмассах способны образовывать упорядоченные пространственные структуры, или кристаллы, но полностью кристаллической пластмасса не становится, всегда присутствует какая-то доля неупорядоченной, аморфной структуры.

Пластмассы менее прочны, чем металлы и сплавы, имеют низкую теплостойкость, со временем теряют свои полезные свойства – стареют.

Примеры самых популярных полимерных материалов: полиэтилен, полистирол, фторопласт, текстолит, стеклопластики. Близки по строению к пластмассам другие полимерные материалы – резины.