Понятие о материалах

Материал в инженерном понимании – вещество (совокупность веществ), из которого состоит или может быть изготовлено техническое изделие, имеющее определенное функциональное значение. Материалы классифицируют по: составу, виду, состоянию, методу получения, назначению и т.д.

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготовляются детали машин, конструкций, сооружений, работающих под нагрузкой. Отличительная особенность этих материалов от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных и др.) – механические свойства. Конструкционные материалы делятся на классы: по природе – на металлические, неметаллические и композиционные; по технологическому исполнению – на деформированные (прокат, поковки, штамповки и др.), литые, спекаемые, формуемые, свариваемые; по условиям работы – на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износостойкие; по критериям прочности – на материалы малой, средней и высокой прочности. Отдельные классы конструкционных материалов делятся на группы.

Металлические материалы классифицируют по системам сплавов (алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, вольфрамовые, на железной основе и др.), по типу упрочнения (закаливаемые, улучшаемые, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.), по структурному составу (стали аустенитные, ферритные). К ним относятся все металлы и их сплавы. Черные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, чугуны). Содержание железа не менее 50%. Цветные металлы – металлы и их сплавы, имеющие естественную окраску (медь, алюминий, титан, магний, цинк и др.). Благородные металлы – золото, серебро, платина. Редкоземельные металлы – лантан, неодим, празеодим и др.

Неметаллические материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Пластмассы – материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, чаще всего с некоторыми добавками. Керамические материалы (керамика). Основа этих материалов – порошки тугоплавких соединений: карбиды, окислы, нитриды, бориды и др. Керамико-металлические материалы, основой которых является керамика с добавлением некоторое количество металла – связки. Стекло представляет собой систему, состоящую из окислов различных элементов. Резина – материал на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других элементов. Древесина – сложная органическая ткань древесных растений.

Композиционные материалыпредставляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.). Они подразделяются на волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

Технико-экономические параметры конструкционных материалов включают: технологические параметры – обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.; показатели экономической эффективности (стоимость, трудоемкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).

Любой материал есть сложная физико-химическая система. Каждый материал обладает отличающимися друг от друга свойствами, которые зависят от особенностей внутреннего строения. Рождение материала (образование структуры) происходит в направлении усложнения (рис. 1.1) и отражает определенные уровни его организации (строения).

Все вещества состоят из атомов и молекул. Атом также имеет сложную структуру и состоит из ядра и электронов. Силы, связывающие электроны и атомные ядра в атомах, атомы в молекулах, – имеют электромагнитную природу. Движущими силами объединения частиц вещества (твердого, жидкого, газообразного) являются силы взаимного притяжения и отталкивания. Процесс рождения материала осуществляется в направлении

плазма ® газ ® жидкость ® твердое тело (атом ® молекула ® вещество)

и сопровождается на каждом этапе уменьшением энергии системы, и поэтому развивается самопроизвольно. Наибольшим запасом энергии вещество обладает в состоянии плазмы. При разрушении (диспергировании) вещества процесс идет в обратном направлении и сопровождается поглощением энергии.

Твердое телоявляется одним из четырех агрегатных состояний вещества. Оно отличается от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы. Твердые тела могут быть кристаллическими, аморфными или квазикристаллическими. У кристаллических тел, в отличие от жидкости, присутствует дальний порядок в расположении атомов. Аморфное твердое тело можно рассматривать как жидкость с очень большой вязкостью.