Свойства и классификация конструкционных материалов

Конструктор подбирает конструкционный материал с учетом его механических, физических, химических и технологических и эксплуатационных свойств. Механические свойства определяются способностью материала противостоять различным 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;

– 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;

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

– 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 процесс переноса энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела;

– электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток;

– температура плавления вещества – это температура фазового перехода «твердая фаза → расплав». Ее определяют, как при плавлении вещества, так и при кристаллизации расплава.

Химические свойства зависят от состава материала и его атомно-электронного строения. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений и превращений. 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 – детали машин. 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, обладать 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.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

Выбор материалов деталей — важный этап, от которого в значительной степени зависят вес, габариты, стоимость и долговечность машин. Для снижения стоимости машин большое значение имеет замена дорогостоящих и дефицитных материалов, однако применение более дешевых материалов может привести к увеличению веса, габаритов и снижению долговечности машин.

Таким образом, вопрос о выборе материала представляет собой сложную технико-экономическую задачу, в решении которой необходимо учитывать экономические, технологические и эксплуатационные соображения. Наряду с другими обстоятельствами при выборе материалов для деталей машин следует учитывать такие производственные вопросы, как снабжение, хранение и учет материалов на предприятии, и по возможности сокращать номенклатуру наименований и марок применяемых материалов.

По принципиальной классификации все конструкционные материалы принято делить на следующие виды (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Принципиальная классификация конструкционных материалов

Металлы (от латинского metallum – шахта, рудник) – группа элементов, в виде простых веществ, 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 (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.).

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.

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.

Дерево – это сложная органическая ткань древесных растений.

Композиты получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Основной конструкционный компонент композита называется матрицей. Усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала называются армирующий элементом. 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 [4]. 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.