Основные свойства материалов. Методы оценки их характеристик

Все материалы обладают рядом свойств, которые различаются как физические, механические, химические и технологические. К физическим свойствам металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от условий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д. Из химических свойств металлов главным образом важна коррозионная стойкость, а также окисляемость и растворимость. Очень важную роль в определении пригодности металла как материала для деталей машин и механизмов играют его механические свойства. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость. Прочность — способность материала сопротивляться воздействию сил, не разрушаясь и не изменяя допустимой формы.
Примером прочного материала служит сталь. Стальные изделия с трудом разрушаются и изменяют форму. В противоположность стали ртуть не обладает прочностью. При обычной температуре она находится в жидком состоянии и не сохраняет формы. Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Самым твердым из известных нам веществ является алмаз. Высокой твердостью обладают различные сорта стали и так называемые твердые сплавы. Твердость — главнейшее свойство материалов, из которых изготовляют режущие инструменты.. Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму. Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по. своей сущности противоположно упругости. Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей. Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун. Технологические свойства металлов и сплавов представляют собой сочетание различных механических и физических свойств, проявляющихся в процессах изготовления деталей машин. К технологическим свойствам металла относятся возможность обработки резанием, литьем, прокаткой, ковкой, волочением, способность свариваться и подвергаться термообработке. Для определения свойств металлов и сплавов пользуются: механическими испытаниями, которыми устанавливают их прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость; физическими измерениями удельного веса, температуры плавления, тепла и электропроводности; химическим анализом, который определяет качественный и количественный состав сплава; металлографическим анализом, позволяющим получить данные о структуре и свойствах металла с помощью микроскопа и рентгеновского аппарата; технологическими пробами, дающими возможность определить пригодность металла для данного вида обработки.

21.Сплавы на основе цветных металлов Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы. Медь — металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Прочность невысокая: ав = 180......240 МПа при высокой пластичности б>50%. Латунь — сплав меди с цинком (10...40 %), хорошо поддается холодной прокатке, штамповке, вытягиванию <7ь = 25О...4ОО МПа, 6=35..15%. При маркировке лату-ней (Л96, Л90,..., Л62) цифры указывают на содержание меди в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т. е. с другими элементами (Мп, Sn, Pb, Al).

Бронза — сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и другими элементами. Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры). При маркировке бронзы Бр.ОЦСЗ-12-5 отдельные индексы обозначают: Бр — бронза, О — олово, Ц — цинк, С —свинец, цифры 3, 12, 5-—содержание в процентах олова цинка, свинца. Свойства бронзы зависят от состава: бв=15О...21О МПа, б=4...8%, НВ60 (в среднем). Алюминий — легкий серебристый металл, обладающий низкой прочностью при растяжении — аа = 80......100 МПа, твердостью — НВ20, малой плотностью — 2700 кг/м3, стоек к атмосферной коррозии. В чистом виде в строительстве применяют редко (краски, газооб-разователи, фольга). Для повышения прочности в него вводят легирующие добавки (Мп, Си, Mg, Si, Fe) и используют некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины), идущие для прокатки профилей, листов и т.п. Силумины — сплавы алюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими литейными качествами, малой усадкой, прочностью ои = 200 МПа, твердостью НВ50...70 при достаточно высокой пластичности 6== =5...10 %. Механические свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность и пластичность силуминов. Дюралюмины — сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием (менее 0,8%). марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500...520°С с последующим старением). Старение осуществляют на воздухе в течение 4...5 сут при нагреве на 170°С в течение 4...5 ч. Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел прочности дюралюминов после закалки и старения составляет 400...480 МПа и может быть повышен до 550...600 МПа в результате наклепа при обработке давлением. В последнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в строительстве для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в сборно-разборных конструкциях, при сейсмическом строительстве, в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Начато изготовление трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100...300 кг/м3 Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, но она осуществляется более трудно, чем сварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов АЬОз. Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах); повышенный примерно в 2 раза по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения; пониженная свариваемость. Титан за последнее время начал применяться в разных отраслях техники благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м3) по сравнению со сталью, высоким прочностным свойствам, повышенной теплостойкости. На основе титана создаются легкие и прочные конструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при повышенных температурах.

22. Неорганические материалыНЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. Твердые, реже жидкие или пастообразные, в-ва с функцион. св-вами, зависящими от способа получения. Различают неорганические материалы металлические, неметаллические и ком-позиционные, к-рые могут содержать как металлич., так и неметаллич. фазы (см. Композиционные материалы). По структуре неорганические материалы подразделяют на монокристаллические, поликристаллические (литье, керамика, порошки), аморфные, в т.ч. стеклообразные (см. Стекло неорганическое), а также стеклокристаллические (напр., ситаллы). По св-вам и областям применения различают неорганические материалы: с особыми электрич. св-вами - полупроводниковые материалы, электропроводящие, сверхпроводники, изоляционные (диэлектрики), электролиты твердые, пьезоэлектрики, конденсаторные и катодные; с особыми магн. характеристиками (см. Магнитные материалы); оптические материалы (для линз и фильтров, отражающих и просветляющих покрытий, для волоконной оптики), фотоэлектродные, люминофоры, электрохромные, фотопроводящие, материалы для голографии, лазерные материалы, с особыми теплофиз. св-вами (для термисторов и нагревателей, жаростойкая и жаропрочная конструкционная керамика), огнеупорные материалы, теплоизоляционные материалы, аккумуляторы тепла; коррозион-ностойкие материалы. Кроме того, выделяют материалы для энергетики-ядерное топливо, аккумуляторы водорода, для термоядерных установок; конструкц. материалы; акустические материалы; для мед. целей - биокерамич. костные и зубные протезы, для кровеносных сосудов и клапанов; сорбенты и носители в катализе и хроматографии; вяжущие материалы; фрикционные материалы и антифрикционные материалы; абразивные материалы, твердые сплавы для изготовления режущего инструмента и др. В отдельную группу иногда выделяют неорганические материалы с сенсорными св-вами, применяемые в датчиках т-ры, давления, расхода, концентрации, влажности, рН среды и др. (см. Сенсоры химические). Ко многим неорганическим материалам предъявляются очень высокие требования по чистоте (напр., к полупроводниковым, к материалам для волоконной оптики и ядерной техники). Неорганические материалы находят применение в разл. областях народного хозяйства и часто определяют уровень развития многих из них. Без неорганических материалов невозможен, напр., прогресс областей, связанных с информатикой и электронной вычислит. техникой. Многие неорганические материалы известны с древних времен и широко применяются в быту, напр. фарфор, фаянс, бронза, строит. материалы.

23.Неметаллические материалы Наряду с металлами во всех отраслях промышленности большое распространение получили неметаллические материалы. К ним относятся: пластические массы, резина, химикаты, формовочные, текстильные, древесные, лакокрасочные и другие материалы.

Пластические массы (пластмассы) — это органические вещества, пластичные в начальной стадии производства, но утрачивающие это качество после нагрева и прессования. Поэтому изделиям из пластмасс можно легко придать прессованием или литьем любую, даже очень сложную форму. При производстве пластмасс к исходным продуктам — смолам — добавляют пластификаторы, наполнители, отвердители и красители. Красителями пластмассам придают любую окраску, что делает их красивым облицовочным материалом.
Фенолальдегидные пластмассы приготовляют смешиванием с последующим нагревом фенола, формалина и катализатора — нашатырного спирта или уксусной кислоты. При использовании нашатырного спирта получают бакелиту а при добавлении уксусной кислоты — карболит. Из карболита изготовляют крышки прерывателей-распределителей и другие детали сложной формы. Из бакелита можно приготовить бакелитовый лак, если прибавить к нему равный объем денатурированного спирта. Бакелитовый лак используют как связующее вещество при изготовлении слоистых пластмасс и как клей.

Слоистые пластмассы — это пропитанные бакелитовым лаком листовые волокнистые материалы. При пропитывании и прессовании многослойной хлопчатобумажной ткани получают текстолит. Малый коэффициент трения и значительная прочность позволяют применять текстолит для таких деталей, как шестерни привода распределительного вала двигателя и др. Пластические массы широко используют для изготовления корпусов различных приборов, штурвалов, рукояток, рычагов и кнопок, деталей кузова и электрооборудования автомобилей. Прокладочные материалы Паронит — это листовой вулканизированный материал из смеси каучука, наполнителей и асбестового волокна. Из него изготовляют прокладки в соединениях, работающих в бензине и масле. Клингерит — листовой материал, состоящий из смеси асбеста с каучуком, графитом, суриком и окисью железа. Употребляют для герметизации емкостей для любых жидкостей и газов. Металлоасбестоеые прокладки, изготовленные из асбестового картона, облицованного с двух сторон мягкой листовой сталью или армированного металлической сеткой, широко применяют в автомобильных двигателях. Асбест используют также в качестве основы ряда материалов, применяемых для изготовления деталей разнообразных фрикционных устройств — накладок тормозных колодок, ведущих дисков сцепления и т. д. Кроме материалов на асбестовой основе, для прокладок и уплотнений широко используют пробку, войлок и картон. Из пробки изготовляют прокладки и сальники картера двигателя, системы питания и др. Войлоком уплотняют открытые сочленения; он идет на изготовление сальников (например, в рулевом управлении, подшипниках колес и т. д.) и прокладок. Из картона делают прокладки для уплотнения таких соединений, как ступица колеса — полуось (приводной вал), коробка передач — крышка коробки передач и т. д. Резина — эластичный материал, из которого изготовляют автомобильные шины и много других деталей (например, для уплотнения тормозной системы, кабины). Исходные продукты для получения резины — каучук и сера. Резину получают обработкой смеси каучука с 3 — 5% серы. При температуре 140 — 145 °С сера вступает в химическую реакцию с каучуком, и в результате получают резину. Этот процесс называют вулканизацией. Чтобы улучшить качество, удешевить и облегчить производство, к резиновой смеси добавляют ускорители вулканизации (цинковые белила, окись свинца), усилители (сажа, каолин), мягчители (парафин, смола), наполнители (мел, тальк), противостарители и красители.
Эбонит — материал, сходный по составу с резиной, но твердый и неэластичный. Серы в нем содержится до 30%. Эбонит обладает высокими электроизоляционными свойствами, кислотостоек. Из него делают баки аккумуляторных батарей.

24.Полимерные материалы ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, материалы на основе вы-сокомол. соед.; обычно многокомпонентные и многофазные.Полимерные материалы- важнейший класс совр. материалов, широко используемых во всех отраслях техники и технологии, в с. х-ве и в быту. Отличаются широкими возможностями регулирования состава, структуры и св-в. Осн. достоинства полимерных материалов: низкая стоимость, сравнит. простота, высокая производительность, малая энергоемкость и малоотходность методов получения и переработки, невысокая плотность, высокая стойкость к агрессивным средам, атм. и радиац. воздействиям и ударным нагрузкам, низкая теплопроводность, высокие оптич., радио- и электротехн. св-ва, хорошие адгезионные св-ва. Недостатки полимерных материалов: низкая тепло- и термостойкость, большое тепловое расширение, склонность к ползучести и релаксации напряжений; для многих полимерных материалов-горючесть. Осн. типы полимерных материалов-пластические массы и композиционные материалы (композиты), резины, лакокрасочные материалы и лакокрасочные покрытия, клеи, компаунды полимерные, герметики, полимербетон, волокнистые пленочные и листовые материалы (волокниты, ткани, нетканые материалы, пленки полимерные, кожа искусственная, бумага и т.п.). По назначению полимерные материалы подразделяются на конструкционные общего назначения и функциональные-напр. фрикционные и антифрикционные, тепло- и электроизоляционные, электропроводящие, термоиндикаторные, пьезоэлектрические, оптически активные, магнитные, фоторезисторные, антикоррозионные, абляционные. По природе основной (полимерной) фазы (полимера связующего или пленкообразующего) полимерные материалы могут быть природными (натуральными) и химическими (искусственными, или синтетическими). По характеру физ. и хим. превращений, протекающих в полимерной фазе на стадиях получения и переработки, полимерные материалы, как и пластич. массы, подразделяются на термопластичные и термореактивные. В произ-ве термореактивных полимерных материалов из прир. полимеров наиб. широко используются производные целлюлозы, из синтетических - широкий класс карбо- и гетероцепных гомополимеров, статистических, чередующихся, блок- и привитых сополимеров, их смесей и сплавов. В произ-ве термореактивных полимерных материалов наиб. широко используют мономеры, олигомеры, форполимеры, масла и смолы, содержащие ненасыщ. и циклич. группы, реагирующие без выделения низкомол. в-в и со сравнительно небольшими объемными усадками,-ненасыщ. поли- и олиго-эфиры, эпоксидные олигомеры и смолы, олигоизоцианаты, бисмалеинимиды, спироциклич. мономеры и олигомеры и т.п. Их состав и структура, тип и кол-во отвердителя, сшивающего агента, инициатора и катализатора, ускорителя или ингибитора определяются типом полимерного материала (пластич. масса, армир. пластик, лакокрасочный материал, клей и т.п.) и требованиями, предъявляемыми к его технол. и эксплуатац. св-вам. В качестве полимерной фазы или самостоятельного полимерного материала широко используют макро- или микрогетерог. полимер-полимерные композиции (смеси и сплавы полимеров; блок-и привитые сополимеры, в т.ч. сетчатые, взаимопроникающие сетки; вспененные или пористые полимеры, напр. пенопласты. Среди них наиб. распространены дисперсно-эластифицир. системы, состоящие из непрерывной стеклообразной и дисперсной эластичной фаз, напр. полистирол ударопрочный, АБС-пластик, модифицированные каучуками отверждающиеся композиции, а также термоэластопласты, эластичные взаимопроникающие сетки и иономеры. Для регулирования технол. и(или) эксплуатац. св-в полимерной фазы полимерных материалов в нее вводят на стадии синтеза полимера или создания материала химически инертные или активные модификаторы-р-рители, пластификаторы, или мягчители, разбавители, загустители или смазки, структурообразова-тели, красители, антипирены, антиоксиданты, антиозонан-ты, противостарители, термо- и светостабилизаторы, антирады, наполнители и ПАВ; для получения пористых полимерных материалов вводят, кроме того, и порообразователи. Структуру и св-ва полимерных материалов регулируют не только изменением их состава и характера распределения компонентов и фаз, но и условиями термич. и мех. воздействия при формировании (см., напр., Ориентированное состояние полимеров). Способы и условия переработки полимерных материалов определяются типом материала (термопластичный или термореактивный) и его исходным состоянием, т.е. типом полуфабриката (плавкий порошок, гранулы, р-ры или расплавы, дисперсии), а также видом наполнителей-нитей, жгутов, лент, тканей, бумаги, пленок и их сочетаний с полимерной фазой (см. Полимерных материалов переработка).