Четыре группы конструкционных материалов

Конструкционные материалы обычно подразделяются на четыре основные группы. Это металлы, керамика, полимеры и аморфные тела (рис. 1). Критерии этого деления – это химическое строение и атомная структура вещества. Чаще всего материал можно отнести к определенной группе, но бывают и исключения.

Металлы и сплавы

Группа «Металлы» включает в себя один или несколько металлов (сплав), также может включать неметаллические элементы (например, азот, углерод) в относительно небольших количествах. Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Также металлы имеют высокую плотность в сравнении с другими группами материалов.

Все металлы твердые и прочные, имеют свою пластичность и сопротивляемость разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях.

К металлам относятся: титан, железо, алюминий, медь, золото, никель и др., а также сплавы на их основе.

Группа «Керамика» включает в себя материалы, занимающие промежуточное положение между металлами и неметаллическими элементами. К ним относятся оксиды, нитриды, карбиды, различные глины. Получается керамика спеканием порошков при высокой температуре.

Керамика – это относительно жесткие и прочные материалы (в ряде случаев сравнимы с металлами). Обычно керамика очень твердая, но хрупкая и плохо сопротивляется разрушению, имеет значительную пористость. Керамика не проводит тепло и электрический ток. Для керамики характерно хорошее сопротивление высоким температурам и вредным воздействиям окружающей среды.

К керамике относятся: Al₂O_{3 (оксид алюминия)}, SiO₂, Fe₂O_{3 (оксид железа)}, Si₃N_{4 (азотистый кремний)}, кирпич, антифрикционные материалы, фильтры, теплоизоляционные материалы, электроизоляторы, различные огнеупоры.

Группа «Пластмассы» (пласти́ческие ма́ссы) – это искусственные материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры).

Пластмассы обладают высокими механическими показателями, не подвержены коррозии, обладают высокой пористостью. Пластмассы являются плохими проводниками тепла, хорошо окрашиваются в любые цвета и долго сохраняют цвет. Они легко обрабатываются.

К пластмассам относятся: полиэтилен, текстолит, полистирол, стеклопластики, пенопласты, оргстекло, винипласт и др.

Группа «Аморфные тела» включает в себя материалы, у которых нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы-соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для металлов, в аморфных телах нет. По расположению атомов и по их поведению аморфные тела аналогичны жидкостям. Эта группа противоположна металлам.

Физические свойства одинаковы во всех направлениях. Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства приближаются к свойствам жидкостей.

К аморфным телам относятся различные виды стекол, канифоль, аморфные металлы и др.