Потребительскиесвойства

Потребительские свойства материалов определяют возможность их ис-

пользования при максимальной работоспособности в условиях эксплуатации

или потребления.

Перечень и величина потребительских свойств в обязательном порядке ус-

танавливаются в государственных стандартах, что создает законодательные ос-

новы гарантии качества и безопасности используемых веществ и материалов.

Для каждого материала перечень потребительских свойств, называемыйНо-

менклатурой показателей качества, устанавливается в стандартах государст-

венной системы «Система показателей качества».

Показателями качества могут быть как показатели физических свойств, ве-

личина которых определена в стандартных условиях, так и специфические по-

казатели, определяющие возможность максимальной работоспособности мате-

риала в условиях эксплуатации или потребления.

Показатели качества в Номенклатуре показателей качества распределены

по следующим группам: назначение, надежность, эргономичностъ и эстетич-

ность, технологичность, унификация, стандартизация, патентно-правовые

показатели, экологическиепоказатели, безопасность, транспортабельность.

Группой показателей качества, имеющей социальное и технико-

экономическое значение, является надежность.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени и в установленных

пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять

требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического

обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

В группу показателей надежности входят такие характеристики, как долго-

вечность, сохраняемость, безотказность, ремонтопригодностьи др. На материалы распространяются в основном такие показатели надежности, как долго-

вечностьи сохраняемость.

Долговечность– свойство материала сохранять работоспособность до

предельного состояния, которое определяется степенью разрушения, требова-

ниями безопасности или экономическими соображениями.

Потребительские свойства материалов, используемые для оценки их дол-

говечности, можно разделить по области применения на две группы:

1) свойства, позволяющие оценить прочность, твердость или изменение

формы изделия при воздействии окружающей среды (потоков масс и излуче-

ний, агрессивности среды и т.п.);

2) свойства, использующиеся для оценки последствий механических воз-

действий на прочностные показатели материалов, в том числе при различных

параметрах окружающей среды.

Для свойств первой группы в их наименовании традиционно используется

слово «стойкость». Так, для оценки прочности при воздействии окружающей

среды используются термины атмосферосвета-, химическая, радиационная,

водо-, огне-, жаро-, термо-, морозо-, хладо- и др., а для оценки твердости –

красностойкость. Для оценки способности сохранять форму при воздействии

окружающей среды используют термины огнеупорностьи теплостойкость.

Атмосферостойкость– способность материала сопротивляться раз-

рушающему действию солнечных лучей, дождя, мороза, снега, ветра и других

атмосферных факторов, например газов и пыли, загрязняющих нижние слои

атмосферы.

Светостойкость– способность материала сохранять свои физико-

химические свойства под действием световых лучей.

Химическаястойкость– способность материала сопротивляться воз-

действию кислот, щелочей, газов и растворов солей.

Не способны сопротивляться действию даже слабых кислот карбонатные

природные каменные материалы – известняк, мрамор, доломит; не стоек к дей-

ствию концентрированных щелочей битум. Наиболее стойкими материалами по

отношению к действию кислот и щелочей являются керамические материалы и

изделия, а также многие изделия на основе пластмасс.

Радиационнаястойкость– свойство материала сохранять свои структуру

и свойства после воздействия ионизирующих излучений.

ВодостойкостьW – способность материалов сохранять необходимые

прочностные свойства при действии воды. Водостойкость материала ха-

рактеризуется коэффициентом размягчения.

КоэффициентразмягченияКр– отношение прочности материала, на-

сыщенного водой, к прочности сухого материала.

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называются

водостойкими.

Огнестойкость– способность материалов сохранять необходимые экс-

плуатационные свойства при действии высоких температур, пламени и воды в

условиях пожара в течение определенного времени. Она зависит от сгораемо-

сти материала, то есть от его способности воспламеняться и гореть.

Огнестойкость выражается произведением потерь массы m (мг) на пути

распространения пламени s (мм), которое определяет степень сгорания от 0

(полностью сгораемые материалы) до 5 (негорючие материалы). Для измерения

этой характеристики образец прикладывают к раскаленному стержню

(Т = 1223 К) на установленное время, а затем, загасив сухим способом пламя,

определяют потерю массы m. Путь пламени s определяют как разность между

исходной длиной образца и длиной его части, на которой не обнаружено обуг-

ливания, оплавления или разложения.

По огнестойкости материалы классифицируются нанесгораемые, трудно-

сгораемыеи сгораемыематериалы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не

горят и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич и др.). Однако необходимо учи-

тывать, что некоторые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или

сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600 °С, поэтому

конструкции из подобных материалов приходится защищать более огнестойки-

ми материалами. Трудно сгораемые материалы (асфальтобетон, фибролит, не-

которые пенопласты и др.) под воздействием огня или высокой температуры

тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращают-

ся. Сгораемые (как правило, органические) материалы горят открытымпламе-

нем и продолжают гореть после удаления источника огня.

Жаростойкость: 1) для металлических материалов то же, что жаро-

упорность, окалиностойкость, – способность противостоять химическому раз-

рушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной газо-

вой среды при высоких температурах; 2) для других конструкционных мате-

риалов (например, бетона) – способность сохранять или лишь незначительно

изменять механические свойства при высоких температурах.

Для чугунов, стекол и керамических изделий (главным образом, огне-

упорных) используется понятие термостойкость.

Термостойкость (термическая стойкость) – способность хрупкихма-

териалов противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям. Тер-

мостойкость определяется перепадом температур при закалке до комнатной

температуры, при котором еще не наступает разрушение материала, или числом

теплосмен (циклов нагрева и охлаждения), выдерживаемых таким образцом

(изделием), до появления трещин.

Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать

многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без

видимых признаков разрушения и без значительного понижения прочности.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозо-

стойкости (например, F50). За марку материала по морозостойкости принимают

наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, кото-

рое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; образцы после испытаний не должны иметь видимых повреждений –

трещин, выкрашивания (потеря массы не более 5 %). От морозостойкости зави-

сит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся

действию атмосферных факторов и воды.

Хладостойкость– способность высокополимерных материалов про-

тивостоять низким температурам. За хладостойкость принимается отрица-

тельная температура, при которой после установленного времени выдержки на

образцах материала появляются признаки их механического разрушения (тре-

щины и др.).

Красностойкость– способность сплава сохранять при нагреве до темпе-

ратур красного каления (обычно 600...650 °С) высокую твердость и износостой-

кость. Повышенная красностойкость – характерное свойство инструментальных

сталей.

Огнеупорность– способность некоторых материалов (главным образом,

огнеупоров) противостоять, не расплавляясь и не деформируясь, воздействию

высоких температур (от 1580 °С и выше). Материалы по степени огнеупорно-

сти подразделяют на огнеупорные (от 1580 °С), тугоплавкие (1350...1580 °С) и

легкоплавкие (менее 1350 °С).

Огнеупоры– материалы и изделия преимущественно из минерального сы-

рья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °С. Различают изделия огне-

упорные (огнеупорность 1580...1770 °С), высокоогнеупорные (1770...

…2000 °С) и высшей огнеупорности (свыше 2000 °С). Применяются для кладки

промышленных печей для получения и плавки металлов (около 60 % потребле-

ния огнеупоров), получения кокса, обжига цемента, в энергетических уста-

новках, топках и других теплотехнических агрегатах.

Для высокомолекулярных полимерных материалов определяется теп-

лостойкость. Теплостойкостьхарактеризуют температурой, при которой на-

ступает еще допустимое для данного изделия изменение формы. Потребитель-

ские свойства второй группы позволяют дать оценку работы материалов в ус-

ловиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации, то есть с учетом

различного рода механических воздействий на них, в том числе в агрессивных

средах. Среди таких свойств – релаксациянапряжений, ползучесть, усталость,

выносливость. Большое значение имеют такие характеристики потреби-

тельских свойств, как живучесть, длительнаяпрочность, жаропрочность, ис-

тираемостьи сохраняемость.

Релаксациянапряжений– процесс уменьшения во времени напряжений

деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пла-

стическую при условии постоянства общей деформации. Механизм релаксации

может быть дислокационным, диффузионным и смешанным при совместном

развитии процессов движения дислокаций и диффузии атомов. Релаксация на-

пряжений наблюдается, например, в предварительно напряженной арматуре в

период изготовления железобетонных конструкций.

Ползучесть– медленная непрерывная пластическая деформация материа-

лов под действием постоянной нагрузки или механических напряжений. Под

действием длительно приложенной нагрузки может развиваться значительная деформация, например, несущей конструкции, а иногда и ее разрушение.

Ползучести в той или иной мере подвержены все твердые тела – как кри-

сталлические, так и аморфные, подвергнутые любому виду нагружения. Ползу-

честь может реализоваться от криогенных температур до температур, близких к

температурам плавления. Так, в металлах наиболее сильный эффект ползучести

наблюдается при температуре, равной 0,4 Тпл. Поскольку деформация и ползу-

честь увеличиваются с возрастанием температуры, то ее вредные последствия

особенно проявляются при повышенных температурах. Механизм ползучести:

скольжение дислокаций и направленная диффузия.

Ползучесть описывается кривой ползучести, которая представляет собой

зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложен-

ной нагрузке (или напряжении). Кривая ползучести имеет одинаковый вид для

широкого круга материалов – металлов и сплавов, ионных кристаллов, полу-

проводников, полимеров, льда и других твердых тел.

Ползучесть характеризуется пределомползучести, то есть величиной дли-

тельно действующего напряжения, которое при данной температуре вызывает

заданную скорость деформации. Величина ее при определении предела ползу-

чести зависит от срока службы изделия, который может колебаться в очень ши-

роком диапазоне. Пределы ползучести, определенные при разныхтемперату-

рах, позволяют конструктору иметь исходные данные для расчета деталей ма-

шин и установок, подверженных одновременному длительному воздействию

напряжений и температур.

Усталость– процесс постепенного накопления повреждений под дейст-

вием циклических напряжений, приводящий к уменьшению срока службы, об-

разованию трещин и разрушению. Пределусталости– наибольшеенапряже-

ние, которое выдерживает материал без разрушения при повторении заранее

заданного числа циклов переменных нагрузок. Частным случаем усталости яв-

ляетсякоррозионнаяусталость.

Коррозионнаяусталость– понижение предела выносливости металла

или сплава при одновременном воздействии циклических переменных на-

пряжений и коррозионной среды.

Выносливость– способность материала сопротивляться усталости. Вы-

носливость определяется при длительном воздействии на материал цик-

лических напряжений. Показателем выносливости является предел выносливо-

сти.

Пределвыносливости R – наибольшее значение максимального на-

пряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного раз-

рушения после произвольно большого или заданного циклов нагружений. Пре-

дел выносливости определяют по числу циклов нагружений до полногоразру-

шения материала или изделия.

Предел выносливости определяет долговечность материала. Он зависит от

состава, структуры и состояния поверхности материала, а также от частоты

циклов нагружений, температуры и других физико-химических особенностей

окружающей среды.

Живучесть– время существования изделия от момента зарождения пер-

вой микроскопической трещины усталости размером 0,5...1,0 мм до оконча-

тельного разрушения. Живучесть характеризует надежность материала при

циклическом нагружений.

Количественно живучесть изделия в конструкции оценивается коэффици-

ентом 1 0 / раз, где 0  и  раз– продолжительность эксплуатации изделия

до появления трещин и до разрушения соответственно β = 0,1...0,9.

Длительнаяпрочность– способность материала разрушаться не тотчас

после приложения нагрузки, а по истечении некоторого времени. Явление дли-

тельной прочности позволяет использовать конструкционный материал в тече-

ние ограниченного (может быть, очень короткого, но достаточного для выпол-

нения заданной функции) времени при больших нагрузках, существенно пре-

вышающих нагрузки, допустимые при длительной эксплуатации, а также опре-

делить время безопасного функционирования (ресурса) конструкции. Пределом

длительнойпрочностиявляется наибольшее напряжение, вызывающее разру-

шение материала за определенное время при постоянной температуре.

Жаропрочность– способность конструкционных материалов (главным

образом, металлических) выдерживать без существенных деформаций механи-

ческие нагрузки при высоких температурах. Определяется комплексом свойств:

сопротивлением ползучести, длительной прочностью и жаростойкостью.

Истираемостьоценивают потерей первоначальной массы образца, отне-

сенной к площади поверхности истирания F.