Классификация конструкционных материалов

Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, сооружений, которые работают в условиях механических нагрузок. Конструкционные материалы должны сопротивляться этим нагрузкам, т. е. не разрушаться и не деформироваться при эксплуатации.

Применяемые в современной технике конструкционные материалы можно классифицировать по различным признакам. (Например, по назначению.) Так как структура материала в значительной степени определяет его свойства, то рассмотрим классификацию конструкционных материалов по структуре. За главный признак здесь принята степень упорядоченности элементов структуры в пространстве. Можно выделить четыре основные группы материалов:

 

Кристаллы

Материалы первой группы – кристаллы – имеют упорядоченное расположение частиц в пространстве. Эти частицы могут представлять собой атомы, ионы или молекулы в разных типах кристаллов.

Важнейшее свойство кристаллов – сохранять форму при нагреве до определенной температуры, при которой происходит плавление.

В процессе охлаждения из жидкого состояния кристаллизация, или переход в твердое состояние происходит при той же температуре. Кривые нагрева и охлаждения у кристаллических веществ симметричны и имеют четко выраженные горизонтальные участки (рис. 1, а). Их протяженность соответствует времени, необходимому для разрушения или установления правильного, упорядоченного расположения частиц в объеме кристалла.

а б

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения

кристаллического (а) и аморфного (б) вещества

 

К кристаллам относятся все металлы и сплавы, существуют также ионные, ковалентные и молекулярные кристаллы.

 

Стекла

Противоположная кристаллам группа – это аморфные материалы, или стекла. Они не имеют упорядоченного расположения частиц (атомов, молекул) в пространстве. Их структура подобна структуре жидкости, где возникают и исчезают отдельные участки с упорядоченным строением. Они и являются, по сути, переохлажденными жидкостями с огромной вязкостью.

Стекла при нагревании размягчаются постепенно, при охлаждении постепенно затвердевают. Кривая нагрева и охлаждения у них плавная, без перегибов и ступенек (рис. 1, б).

Стекла – твердые, но очень хрупкие материалы, устойчивы в агрессивных средах; обычно используются их оптические свойства.

Примерами таких материалов являются широко применяемое оконное силикатное стекло и другие виды стекол. Их получают сплавлением основных и кислотных оксидов при высоких температурах.

Многие вещества могут существовать как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии; научились получать даже аморфные металлы.

 

Керамики

Керамики – это материалы, полученные спеканием минеральных порошков при высокой температуре. Они состоят, в основном, из кристаллической фазы с аморфными прослойками, имеют значительную пористость. Кристаллическая фаза представляет собой ионные и ковалентные соединения.

Традиционные керамические материалы изготавливаются из глин различного состава. Это кирпич, строительная и бытовая керамика.

Современная тонкая керамика содержит мало пор и может состоять полностью из кристаллической фазы.

Свойства керамики: очень твердые материалы, выдерживают высокие температуры, долговечны, но по сравнению с металлами более хрупки.

Примеры современной технической керамики: огнеупоры, твердые сплавы, антифрикционные материалы, фильтры, теплоизоляционные материалы, плотная керамика для деталей машин, электроизоляторы.

 

Пластмассы

Пластмассы, или высокополимеры – это искусственные твердые материалы с большой молекулярной массой (свыше 10⁴ атомных единиц). Структурным элементом в пластмассах является макромолекула – линейное или разветвленное образование из большого числа молекул мономера, соединенных ковалентными связями: (–CH₂–CH₂–)_n.

В термопластичных пластмассах между макромолекулами действуют только относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса; в термореактивных полимерах линейные макромолекулы соединены поперечными ковалентными связями.

Макромолекулы в пластмассах способны образовывать упорядоченные пространственные структуры, или кристаллы, но полностью кристаллической пластмасса не становится, всегда присутствует какая-то доля неупорядоченной, аморфной структуры.

Пластмассы менее прочны, чем металлы и сплавы, имеют низкую теплостойкость, со временем теряют свои полезные свойства – стареют.

Примеры самых популярных полимерных материалов: полиэтилен, полистирол, фторопласт, текстолит, стеклопластики. Близки по строению к пластмассам другие полимерные материалы – резины.

Композиционные материалы

Надо отметить, что существуют материалы, называемые композитами, или композиционными материалами, которые нельзя причислить ни к одной из этих групп, так как они состоят из материалов разного происхождения. Композиты могут состоять из металла и керамики, из полимера и стекла. Такие материалы сочетают свойства исходных компонентов, а по некоторым свойствам превосходят их.

 

Требования к конструкционным материалам

К конструкционным материалам предъявляется комплекс требований: эксплуатационных, экономических и технологических.

Важнейшими являются эксплуатационные требования. Это прочность, надежность и долговечность. Иными словами, материал должен надежно работать в условиях эксплуатации в течение длительного, рационально обоснованного периода времени.

В наибольшей степени этому комплексу требований удовлетворяют кристаллические конструкционные материалы: металлы и их сплавы. Эта группа составляет до 80 % объема всех выпускаемых конструкционных материалов.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ.
2. I. Классификация установок, по Узнадзе.
3. II КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЧУГУНОВ
4. II расход материалов на заданный объем
5. II.1. Приемы изложения научных материалов
6. III. Классификация мебельных тканей.
7. IV. Классификация по скорости развития
8. TNM клиническая классификация
9. Автомобильные перевозки. Классификация автотранспорта. Конвенция КДТП , накладная CMR. Ассоциация международных автомобильных перевозок АСМАП.
10. Альфа-адреноблокаторы: классификация, основные показания и противопоказания, побочные эффекты
11. Антиагреганты: классификация, основные показания и противопоказания, побочные эффекты
12. Антидепрессанты. Классификация и механизм действия. Тактика назначения антидепрессантов. Показания к применению в психиатрии и соматической медицине.