Физические свойства

Классификация конструкционных материалов

Классификация– разделение какого-либо множества, обозначаемого одним термином, по объединяемому это множество признаку (свойству) на группы (классы, разряды).

Свойство – отличительный признак, особенность.

Качество – уровень существенного свойства объекта.

Признак – показатель, по которому можно узнать, отличить объект.

Классифицируют конструкционные материалы по виду вещества, из которого они состоят: их делят на металлические, неметаллические и композиционные (смешанные).

Металлическими называют конструкционные материалы, являющиеся сплавами металлов с другими веществами.

По содержанию металлов сплавы состоят из основного металла (железо, титан и другие) и легирующих компонентов, вместе образующих сплавы, например, сталь, дуралюмин, латунь, а по цвету – на чёрные сплавы (на основе железа) и цветные (на основе цветных металлов).

Неметаллические по природному происхождению делят на минеральные (камень, бетон, керамика, стекло) и органические (древесина, пластмассы, резина).

Композиционными называют конструкционные материалы, искусственно смешанные из не взаимодействующих химически между собой металлических и/или неметаллических компонентов (матрицы и наполнителя), каждый из которых придаёт материалу какие-то определённые свойства, причём матрица постоянна в пространстве материала, а наполнитель прерывен (порошки, волокна, пластины).

Знание классификаций конструкционных материалов учитывают при назначении последних в процессе конструирования для обеспечения необходимых свойств деталей с целью долгой и рациональной эксплуатации в изделиях: машинах, механизмах, конструкциях, а также для приведения в соответствие эргономических, экономических, экологических и эстетических показателей этих изделий.

2 СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Каждый материал имеет определённый комплекс свойств.

Необходимость знания свойств используемых материалов для изготовления деталей, воспринимающих прилагаемую извне нагрузку, обусловлена естественным желанием конструктора, строителя, производителя, пользователя, чтобы машина, механизм, конструкция, которые собирают из этих деталей, служили надёжно и долго.

Весь комплекс свойств любых конструкционных материалов делят на пять групп: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные.

Физические свойства

Все твёрдые вещества имеют свои физические свойства, то есть те, которые проявляются независимо от внутреннего строения вещества. Изучение конструкционных материалов предопределяет использование следующих из них.

Для металлических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность.

Для неметаллических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение.

Цвет – результат зрительного восприятия человеком отражения поверхностью материала определённого, присущего каждому веществу, своего участка светового спектра.

По цвету можно определить, например, вид металлического конструкционного материала (сплавы меди – красные и жёлтые, алюминия – белые, железа – чёрные), температуру его нагрева; или наличие химических дефектов на поверхности керамического конструкционного материала (они обычно имеют другой цвет, чем основной материал) и многое другое.

Плотность – свойство, характеризуемое массой вещества в стандартной единице объёма.

Металлы по величине плотности делят на лёгкие (магний 1740 кг/м³, алюминий 2720 кг/м³, титан 4500 кг/м³) и тяжёлые (хром 7140 кг/м³, железо 7850 кг/м³, медь 8940 кг/м³, молибден 10220 кг/м³, вольфрам 19300 кг/м³). Плотность материалов из минералов (керамика, стекло) находится в пределах соответственно 1600...1800 и 2400...2600 кг/м³. Плотность органических конструкционных материалов (полипропилен, древесина) находится ниже или на уровне плотности воды (около 1000 кг/м³, у некоторых (фторопласт-4) – до 2200 кг/м³).

Температура плавления – значение, при котором кристаллические вещества (металлы и минералы) при нагревании переходят из твёрдого состояния в жидкое.

У металлов можно выделить легкоплавкие (магний 651 °С, алюминий 658 °С,), средний диапазон (медь 1083 °С, железо 1590°С.) и тугоплавкие (титан 1668 °С, вольфрам 3410 °С). Конструкционные материалы из минералов (стекло, базальт) плавятся в диапазоне температур от 1000 до 1400 °С. Конструкционные материалы на основе органических веществ (полипропилен, полистирол) являются аморфными и при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние в диапазоне температур от 100 до 300 °С.

Теплопроводность – количественная характеристика интенсивности передачи материалом теплоты по своему объёму в направлениях меньшего её значения.

Самая высокая – у металлов: у меди в полтора раза выше, чем у алюминия и в пять раз выше, чем у железа. Теплопроводность конструкционных материалов из минералов в десятки раз, а из органических веществ в сотни раз ниже, чем у металлов.

Тепловое расширение – свойство любого вещества увеличивать свои размеры при нагревании и уменьшать при охлаждении. В наибольшей степени изменяют свои размеры органические конструкционные материалы (в 10...30 раз выше чем металлические (сталь) или минеральные (бетон).

Электропроводность – способность всех без исключения металлов и их сплавов проводить электрический ток. Наилучшая электропроводность у чистых металлов: серебра, меди и алюминия. Минеральные и органические конструкционные материалы не проводят электрический ток.