Основні властивості матеріалів

Механічні властивості

Механічні властивості матеріалів характеризують можливість їх використання у виробах, що експлуатуються при дії зовнішніх навантажень. Основними показниками властивостей матеріалів є міцність, твердість, триботехнічні характеристики.

Міцність – властивість матеріалів чинити опір руйнуванню та необоротній зміни форми під дією зовнішніх навантажень. Вона обумовлена силами взаємодії часток, з яких складається матеріал.

Якщо при розтягуванні зразка сила зовнішнього впливу на пару атомів перевершує силу їхнього притягнення, то атоми будуть віддалятися один від одного. Напруга, що виникає в матеріалі і яка відповідає силі міжатомного притягнення, відповідає теоретичній міцності.

При виникненні в матеріалі локальної напруги більшої за теоретичну міцність відбудеться розрив матеріалу по цій ділянці. У результаті утворюється тріщина. Зростання тріщин триває, поки в результаті їх злиття одна з тріщин не пошириться на весь переріз зразка і не відбудеться його руйнування.

Деформування – зміна відносного розташування частинок в матеріалі (розтяг, стиск, вигин, крутіння, зсув). Таким чином, деформація – зміна форми і розмірів виробу або його частин у результаті деформування. Деформацію називають пружною, якщо вона зникає після зняття навантаження, або, пластичною (необоротною), якщо вона не зникає.

Динамічна міцність – опір матеріалів динамічним навантаженням, тобто навантаженням, значення, напрямок і точка прикладання яких швидко змінюються в часі.

Втома матеріалів – процес поступового накопичення пошкоджень під дією змінних напруг, що призводять до зміни властивостей матеріалу, утворення та розростання тріщин. Властивість матеріалів протистояти втомі називається витривалістю. Повзучість – безперервне пластичне деформування матеріалів під дією постійного навантаження. Будь-які тверді матеріали в тій чи іншій мірі схильні до повзучості в усьому діапазоні температур експлуатації. Шкідливі наслідки повзучості матеріалів особливо проявляються при підвищених температурах.

Причиною незадовільної міцності виробів може бути вплив поверхневих дефектів і напружень, які виникають через нерівномірність розподілу навантаження, зумовленого особливостями конструкції. Тому міцність конструкційних елементів (зварювальних швів, болтів, валів і т.д.) – конструкційна міцність – у багатьох випадках нижче технічної міцності вихідних матеріалів.

Твердість є механічною характеристикою матеріалів, що відображає їх міцність, пластичність та властивості поверхневого шару виробу. Вона виражається опором матеріалу пластичному деформуванню, що виникає при впровадженні в матеріал твердого тіла (індентора). Залежно від способу впровадження та властивостей індентора твердість матеріалів оцінюють за різними критеріями, використовуючи декілька методів: вдавлювання індентора; динамічні методи; дряпання.

Вдавлювання індентора в зразок з подальшим вимірюванням відбитка є основним технологічним прийомом при оцінці твердості матеріалів. Залежно від особливостей прикладення навантаження, конструкції індентора та визначення чисел твердості розрізняють методи Брінелля, Роквелла, Віккерса.

Шляхом подряпин порівнюють твердість досліджуваного і еталонного матеріалів. Як еталони прийнято десять мінералів, що розташовані у порядку зростання їх твердості,: 1 – тальк, 2 – гіпс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

Триботехнічні характеристики визначають ефективність застосування матеріалів у вузлах тертя. Під триботехнікою розуміють сукупність технічних засобів, що забезпечують оптимальне функціонування вузлів тертя. Основні характеристики триботехнічних матеріалів: зносостійкість, припрацьовуваність, коефіцієнт тертя.

Зносостійкість – властивість матеріалу чинити опір зношуванню при певних умовах тертя. Відношення величини зносу до інтервалу часу, протягом якого він виник, або до шляху, на якому відбувалося зношування, представляє собою, відповідно, швидкість зношування і інтенсивність зношування. Зносостійкість матеріалів оцінюють величиною, зворотною швидкості та інтенсивності зношування.

Припрацьовуваність – властивість матеріалу зменшувати силу тертя, температуру і інтенсивність зношування в процесі припрацювання. Забезпечення зносостійкості безпосередньо пов'язано з попередженням катастрофічного зношування і припрацювання.

Коефіцієнт тертя – відношення сили тертя двох тіл до нормальної сили, що притискує ці тіла один до одного. Його значення залежать від швидкості ковзання, тиску і твердості поверхні матеріалів, що труться.

Триботехнічні характеристики матеріалів залежать від наступних основних груп факторів, що впливають на роботу вузлів тертя:

внутрішніх, обумовлених природою матеріалів;

зовнішніх, що характеризують вид тертя (ковзання, качання);

режиму тертя (швидкість, навантаження, температура);

середовища і виду мастильного матеріалу.

Сукупність цих факторів обумовлює вид зношування – абразивне, адгезійне, ерозійне, втомлювальне та ін.

Основна причина всіх видів зношування – робота сил тертя, під дією яких відбувається багаторазове деформування поверхневих шарів тіл, що труться, зміна їх структури тощо [2-4].

Класифікація матеріалів

Найбільше значення в техніці мають класифікації матеріалів за структурними і функціональними ознаками. Головним критерієм класифікації матеріалів за структурними ознаками є агрегатний стан, в залежності від якого їх поділяють на такі типи: тверді матеріали, рідини, гази, плазма.

Кристалічні матеріали за типом зв'язку між частинками поділяють на: атомні, іонні, металеві та молекулярні.

З атомно-кристалічних матеріалів, в структурі яких переважають ковалентні зв'язки, найбільше значення в техніці мають поліморфні модифікації вуглецю та напівпровідникові матеріали на основі елементів IV групи періодичної системи елементів. Типовими представниками перших є алмаз – найбільший твердий мінерал (твердість 10 за мінералогічною шкалою) і графіт – найбільш поширена в земній корі і стійка модифікація вуглецю з шаруватою структурою. Напівпровідникові кристалічний германій і кремній є основними матеріалами напівпровідникової електроніки.

У велику сукупність іонно-кристалічних матеріалів, що мають кристалічну структуру з іонним типом зв'язку, входять оксиди металів, які є складовими найважливіших руд; технологічних присадок при плавці металів, виробів, що формуються методами порошкової металургії і т.д.; а також бориди, карбіди та нітриди металів I i II груп періодичної системи (деякі з них використовуються як компоненти твердих сплавів).

Властивостями металевих кристалів володіють більше 80 хімічних елементів періодичної системи (наприклад, лужні, лужноземельні, перехідні метали тощо) і безліч сплавів (наприклад, сталь и чавун, бронза, латунь та ін.).

Структура молекулярних кристалів характерна для багатьох полімерних матеріалів, молекули яких складаються з великого числа повторюваних ланок. Це біополімери – високомолекулярні природні сполуки та їх похідні (у тому числі деревина); синтетичні полімери, одержувані з простих органічних сполук, молекули яких мають неорганічні головні ланцюги і не містять органічних бічних груп. До числа неорганічних полімерів відносять силікати та в'яжучі. Природні силікати – клас найважливіших породоутворюючих мінералів, що становлять близько 80 % маси земної кори. До неорганічних в'яжучих матеріалів відносяться цемент, гіпс, вапно та ін. Молекулярні кристали інертних газів – елементів VIII групи періодичної системи – випаровуються при низьких температурах, не переходячи в рідкий стан. Вони знаходять застосування в кріоелектроніці, що займається створенням електронних приладів на основі явищ, які мають місце у твердих тілах при кріогенних температурах.

Некристалічні тверді матеріали поділяють за ознакою впорядкованості і стабільності структури на аморфні, склоподібні і напівразупорядковані НЕ скловидні.

Типовими представниками аморфних матеріалів є аморфні напівпровідники, аморфні метали та сплави.

До групи склоподібних матеріалів входять: ряд органічних полімерів (поліметилакрілат при температурах нижче 105 °С, полівінілхлорид – нижче 82 °С і інші); багато неорганічних матеріалів – неорганічне скло на основі оксидів кремнію, бору, алюмінію, фосфору і т.д.; багато матеріалів для кам'яного лиття – базальти і діабази зі склоподібною структурою, металургійні шлаки, природні карбонати з острівної і ланцюжковою структурою (доломіт, мергель, мармур та ін.)

У напівразупорядкованому НЕ склоподібному стані знаходяться у вигляді студню (структуровані системи полімер–розчинник, що утворюються при затвердінні розчинів полімерів або набуханні твердих полімерів), багато синтетичних полімерів у високоеластичному стані, каучуки та гуми; більшість матеріалів на основі біополімерів, в тому числі текстильні і шкіряні матеріали, а також органічні в'яжучі матеріали – бітуми, дьогті та ін.

Обмеженість розглянутої класифікації полягає в тому, що технічні матеріали, як правило, неоднорідні за структурою і включають декілька фаз. Приналежність матеріалу до тієї чи іншої структурної групі залежить від переважання в ньому відповідної структури, що, значною мірою, зумовлено складом, технологічної передісторією і іншими індивідуальними ознаками.

Залежно від кількості фаз та масштабу неоднорідностей структури матеріали поділяють на прості, композиційні і сплави. Перші складаються з одного хімічного елемента або сполуки і мають однорідну макроструктуру. Сплав – це матеріал з однорідною макроструктурою, що утворився в результаті затвердіння розплаву хімічно різнорідних речовин. Речовинами, які утворюють сплав, можуть бути метали, неметали, оксиди, органічні сполуки і ін.

Композиційні матеріали (композити) складаються з декількох фаз і мають неоднорідну макроструктуру, наприклад, бетон, графіт з включеннями алмазу тощо).

За призначенням технічні матеріали поділяють на наступні групи.

Конструкційні матеріали – матеріали, призначені для виготовлення виробів, що підлягають механічному навантаженню. Вони володіють комплексом механічних властивостей, що забезпечують необхідну працездатність і ресурс виробів при впливі робочого середовища, температури та інших факторів. Одночасно до них пред'являють технологічні вимоги, що визначають найменшу трудомісткість виготовлення деталей і конструкцій, і економічні, що стосуються вартості і доступність матеріалу, що дуже важливо в умовах масового виробництва.

Електротехнічні матеріали характеризуються особливими електричними і магнітними параметрами і призначені для виготовлення виробів, які застосовуються при виробництві, передачі, перетворенні і споживанні електроенергії. До них відносяться магнітні матеріали, провідники, напівпровідники, а також діелектрики у твердому, рідкому і газоподібному станах.

Триботехнічні матеріали призначені для застосування у вузлах тертя з метою регулювання параметрів тертя та зношування для забезпечення заданої працездатності та ресурсу цих вузлів. Основними видами таких матеріалів є мастильні, антифрикційні та фрикційні.

Номенклатуру перших утворюють змащення у твердій (графіт, тальк, дисульфід молібдену та ін), в рідкій (мастильні масла) і в газоподібних станах (повітря, пари вуглеводнів та інші гази).

У сукупність антифрикційних матеріалів входять сплави кольорових металів (бабіти, бронзи та ін.), сірий чавун, пластмаси (текстоліт, матеріали на основі фторопластів тощо), металокерамічні композиційні матеріали (бронзографіт, залізографіт та ін.), деякі види деревини і деревинно-шаруватих пластиків, гуми, багато композитів.

Фрикційні матеріали мають великий коефіцієнт тертя та високий опір до зношування. До них відносяться деякі види пластмас, чавунів, металокераміки та інших композиційних матеріалів.

Інструментальні матеріали відрізняються високими показниками твердості, зносостійкості і міцності. Вони призначені для виготовлення різального, вимірювального, слюсарно-монтажного та іншого інструменту. У номенклатуру таких матеріалів входять інструментальна сталь і тверді сплави, алмаз і деякі види керамічних матеріалів, композиційні матеріали.

Робочі тіла – газоподібні і рідкі матеріали, за допомогою яких енергію перетворюють в механічну роботу, холод, теплоту. Робочими тілами служать водяна пара в парових машинах і турбінах; аміак, вуглекислота, фреон та інші холодоагенти в холодильних машинах; масла в гідроприводі; повітря в пневматичних двигунах; газоподібні продукти згоряння органічного палива в газових турбінах, двигунах внутрішнього згорання і т.п. У ракетній техніці робочим тілом прийнято вважати ракетне паливо.

Паливо – горючі матеріали, основною частиною яких є вуглець, що застосовуються з метою отримання при їх спалюванні теплової енергії. За походженням паливо поділяють на природне (нафта, вугілля, природний газ, горючі сланці, торф, деревина) і штучне (кокс, моторні паливо, генераторні гази та ін.) За типом машин, в яких воно спалюється, – на ракетне, моторне, ядерне, турбінне і т.д.

Технологічні матеріали – обширна група допоміжних матеріалів, що використовуються для нормального протікання технологічних процесів переробки основних технічних матеріалів у вироби або забезпечення нормальної роботи машин. У їх номенклатуру входять клеї та герметики; лакофарбові та в'яжучі матеріали; допоміжні матеріали, що застосовуються при зварюванні і пайці (флюси, припої, зварювальні електроди і т.д.); мастильно-охолоджуючі рідини; гартівні середовища; консервувальні матеріали (мастила, плівки, інгібітори корозії), що забезпечують захист виробів від корозії при їх зберіганні і транспортуванні; антиадгезійні матеріали, що оберігають від приклеювання основних оброблюваних матеріалів до їх технологічного оснащення [2,5].

Питання для самоконтролю

1. Що вивчає теоретичне матеріалознавство?

2. Який стан речовини характеризується малими силами міжмолекулярної взаємодії?

3. Які можливості надає прикладне матеріалознавство?

4. Чи можуть бути кристалічними речовини з іонним і металічним типами зв’язку?

5. Які речовини при нагріванні поступово розм’якшуються, розтікаються і стають рідкими?

6. На які групи поділяються технічні матеріали за призначенням?

7. В чому різниця між інструментальними та конструкційними матеріалами?

8. Охарактеризуйте металічний зв’язок.

9. Чим характеризуються фрикційні матеріали?

10. Якими властивостями характеризується газоподібний стан?

11. Що собою являють аморфні речовини?

12. Перерахуйте властивості та області використання аморфних речовин?

13. Які два напрямки вивчає матеріалознавство?

14. Чим відрізняється прикладне і теоретичне матеріалознавство?

15. Що таке матеріал?

16. Які типи сировини ви знаєте?

17. Який відсотковий вміст домішок в технічно чистій речовині?

18. Які особливості мають речовини, що утворені полярними молекулами?

19. Які особливості має іонно-електронна структура?

20. На які типи поділяються тверді речовини?

21. Які властивості мають речовини з атомною кристалічною решіткою?

22. Чим сирі матеріали відрізняються від напівфабрикатів?

23. Чи бувають твердими нанодисперсні та аморфні речовини?

24. Чи можуть бути напівфабрикати кінцевою продукцією? Чому?

25. Чим відрізняються технічно та хімічно чисті речовини?

26. Чи є хімічний елемент матеріальною частинкою?

27. Що є найменшою частинкою речовини, що зберігає її властивості?

28. Яким чином утворюються іони?

29. Скільки атомів беруть участь в ковалентному зв’язку?

30. Який зв’язок здійснюється в результаті взаємного статичного приготування протилежно заряджених іонів?

31. Чи дисоціюють речовини з металічним зв’язком в розплавах та розчинах?

32. При якому зв’язку електрони кожного окремого атома належать всім атомам, що знаходяться в контакті?

33. Що являють собою аморфні речовини?

34. На які основні групи поділяють технічні матеріали за призначенням?

35. Паливо якого походження визнаєте?

36. До якої групи технічних матеріалів належать клеї та герметики?

37. Чим відрізняються фрикційні і антифрикційні матеріали?

38. Які матеріали призначені для застосування у вузлах тертя?

39. Що таке конструкційні матеріали?

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: