Свойства конструкционных материалов: механические, технологические, физические и др.

В чем особенности? Основные свойства конструкционных материалов – прочность, жесткость, устойчивость к износу и деформациям. Каждый из видов обладает своими характеристиками и применяется в зависимости от требований к конечному изделию.

Какие бывают? Конструкционные материалы – те, которые используются для создания различных конструкций и механизмов. Существует несколько основных типов: металлы (чугун, сталь, алюминий), полимеры (пластик, резина), керамика, композиты (стеклопластик, углепластик).

Механические свойства конструкционных материалов

Конструкционные материалы обладают следующими характерными механическими свойствами:

• Вязкостью (внутренним трением), означающей способность металла к сопротивлению необратимой пластической деформации.
• Жесткостью, т. е. способностью сопротивляться изменению формы и размеров. Для количественного определения этого параметра используют модуль упругости (для неполимеров) или модуль жесткости (для полимеров).
• Пластичностью, т. е. способностью при механическом воздействии, не разрушаясь, существенно изменять форму и размеры и возвращаться к первоначальным параметрам по окончании воздействия.
• Механической прочностью, т. е. способностью сопротивляться разрушению при внешнем или внутреннем механическом воздействии.

• Разрушением, заключающемся в разрыве связей между атомами металла и, как следствие, его разделении на части.
• Поверхностной твердостью, т. е. способностью к сопротивлению внешнему механическому воздействию на поверхность материала.
• Упругостью, т. е. способностью к восстановлению прежней конфигурации после окончания внешнего воздействия.
• Хрупкостью, т. е. способностью разрушаться при кратковременном и незначительном механическом воздействии, например, при ударной нагрузке.
• Эластичностью, т. е. способностью восстанавливаться после окончания механической нагрузки (это свойство характерно для полимерных материалов и неравнозначно упругости тел с низкомолекулярной структурой).
• Плотностью – массой единицы объема материала, величиной, обратной его удельному весу.

Чаще всего для одного и того же материала измеряют:

• истинную (ρ_ист) плотность, т. е. массу единицы объема материала для монолитных (плотных) материалов;
• кажущуюся или насыпную плотность (ρ_каж), которая рассчитывается как отношение массы материала к его объему для сыпучих веществ.

Ряд перечисленных свойств составляет так называемую конструкционную прочность материала.

Физические свойства конструкционных материалов

Под P_max понимают максимальную нагрузку; F₀ означает начальную площадь поперечного сечения; l₀ – первоначальная длина; литерой А обозначают работу; М – изгибающий момент; b и h обозначают ширину и высоту сечения; d – диаметр сечения; Q – количество теплоты; для обозначения разности температуры используют выражение t₁ – t₂; ч – время; θ – угол скручивания на единицу длины.

Технологические и технические свойства конструкционных материалов

С позиции практического использования можно выделить технологические и технические свойства конструкционных материалов.

Технологические – это качества, которые характеризуют возможности обработки материалов. Для некоторых из них разработаны количественные показатели, но в большинстве случаев используются качественные характеристики. Для металлов, например, это свариваемость или штампуемость, для полимеров – вальцуемость, каландруемость, шприцуемость и пр.

Важнейшими свойствами конструкционных материалов являются:

• Литейность, благодаря которой расплавленный материал заполняет специальную литейную форму, давая при этом незначительную усадку и образуя минимум дефектов.
• Формоизменяемость, т. е. способность материала при оказании механического давления приобретать заданную форму, не разрушаясь при этом и оказывая минимальное сопротивление.
• Свариваемость – свойство, которое позволяет надежно и неразрывно соединять детали с помощью сварки.
• Срезаемость дает возможность обрабатывать материалы резанием.

Какие еще бывают свойства конструкционных материалов?

Технические – свойства, проявляющиеся в процессе эксплуатации изделия или конструкции, которые выполнены из этого материала.

Эксплуатационные свойства материала

Материалы обладают следующими эксплуатационными свойствами:

• Износостойкостью, т. е. способностью к сохранению поверхностных частиц при трении о посторонние предметы.
• Коррозионной устойчивостью, под которой понимается сопротивляемость материала разрушению под воздействием окружающей среды (воды, кислорода, кислот, щелочей и пр.).
• Хладноломкостью, означающей повышение хрупкости материала при понижении температуры.
• Хладостойкостью, т. е. способностью материала сопротивляться хрупкости при отрицательной температуре окружающей среды.
• Жаропрочностью, под которой понимают сопротивляемость материала разрушению и деформации под воздействием высокой температуры.
• Жаростойкостью (окалиностойкостью), т. е. способностью не окисляться в газовой среде под воздействием высокой температуры (это свойство характерно в основном для металлов: стали и ряда других сплавов, на поверхности которых при взаимодействии с кислородом образуется окалина).
• Теплостойкостью, означающей устойчивость материала к нагреванию при обработке или эксплуатации.
• Антифрикционностью, т. е. способностью противостоять контактному трению.

Надежность конструкционных материалов

Надежность означает способность материала сопротивляться хрупкому разрушению. Именно эта разновидность повреждений приводит к внезапному выходу конструкции из строя при эксплуатации.

Хрупкое разрушение развивается очень быстро и приводит к аварийным последствиям, в связи с чем относится к наиболее опасным видам повреждений.

Чтобы минимизировать риски хрупкого разрушения, конструкционные металлы должны быть достаточно пластичными (δ, ψ) и иметь высокую ударную вязкость (KCU).

Для расчета ударной вязкости – удельной работы разрушения образца с надрезом (концентратором напряжений) при ударном приложении нагрузки (Дж/м²) используют следующую формулу:

KCU = A / F, в которой

KCU – удельная вязкость при концентраторе напряжений типа U;

А – работа, затраченная на разрушение;

F – площадь поперечного сечения образца.

Для испытаний используются специальные приборы – маятниковые копры. На образцах предварительно делают надрез одного из трех видов:

U с радиусом закругления в надрезе r = 1 ± 0,07 мм;

V с r = 0,25 ± 0,025 мм;

Т – трещина, которую делают при помощи циклического нагружения образца.

Следовательно, при расчете по вышеприведенной формуле можно вычислить удельную вязкость одного из трех типов: KCU, KCV или KCT.

Говоря о таком свойстве конструкционных материалов как надежность, следует отметить, что:

• Высокопрочные материалы, которые находят все более широкое применение в самых различных сферах, менее пластичны и более склонны к хрупкому разрушению.
• При эксплуатации изделий, изготовленных из конструкционных материалов, они подвергаются воздействию факторов, в значительной степени повышающих вероятность хрупкого разрушения. Последние включают в себя концентраторы напряжений (надрезы и царапины), низкую температуру окружающей среды, динамические нагрузки, большие размеры изделий (масштабный фактор).

Долговечность конструкционных материалов

Следующее свойство конструкционных материалов – долговечность, т. е. способность противостоять постепенному разрушению, обеспечивая за счет этого длительный срок эксплуатации деталей, изделий и конструкций.

Постепенный износ, а вместе с ним и выход деталей из строя может быть обусловлен различными причинами, в том числе утомлением металла, его изнашиванием, коррозией и пр. В результате этих процессов в материале накапливаются необратимые повреждения. Следовательно, для обеспечения долговечности необходимо максимально снизить скорость разрушений.

Более чем для 80 % металлических деталей машин долговечность определяется как сопротивление материала усталостным разрушениям в условиях циклического нагружения (другими словами, циклическая долговечность) или сопротивлением изнашиванию в результате трения (иначе – износостойкость).

Циклическая долговечность означает такое свойство конструкционного материала, которое позволяет ему сохранять работоспособность при многократно повторяющихся циклах напряжений.

Цикл напряжений представляет собой совокупность изменений напряжения во временном интервале σ_min – σ_max в течение определенного периода Θ (Θ = 2·π / ω, где ω – частота переменного механического поля).

Повторяющиеся циклические нагрузки постепенно приводят к накоплению необратимых повреждений, изменению свойств конструкционных материалов, образованию трещин и разрушению. Эти процессы называются динамической усталостью, а способность сопротивляться им – усталостной выносливостью.

Теплофизические свойства конструкционных материалов

Среди различных видов и свойств конструкционных материалов стоит выделить основные теплофизические параметры, которые заключаются в:

• теплопроводности;
• теплоемкости;
• термическом (тепловом) расширении;
• температуре фазовых переходов: Т_пл и Т_кип;
• температуре переходов из одного физического состояния в другое – для полимеров: Т_{стеклования} (Т_ст), Т_{плавления} (Т_пл) и Т_{текучести} (Т_тек).

Плюсы и минусы металлических конструкционных материалов

К преимуществам применения свойств конструкционных металлических материалов следует отнести:

• высокую механическую прочность;
• устойчивость к серьезным пластическим деформациям;
• отличные литейные свойства;
• свариваемость;
• высокую тепло- и электропроводность;
• сохранение работоспособности в условиях высокой и низкой температуры.

Впрочем, конструкционные металлы и сплавы обладают также некоторыми недостатками:

• высокой плотностью;
• низкой коррозионной устойчивостью при эксплуатации в различных химических средах;
• небольшой жаропрочностью, характерной для ряда металлов.

Критерии выбора конструкционных материалов

Выбор того или иного конструкционного материала должен быть, в первую очередь, обусловлен предполагаемыми условиями его эксплуатации, выявлением негативных факторов, воздействию которых он будет подвергаться в процессе работы.

При отборе оптимально подходящего материала в обязательном порядке необходимо учесть определяющие особенности и (по возможности) второстепенные.

Затем следует определить комплекс технических и технологических свойств конструкционных материалов, которые обеспечат надежную и долговечную работу деталей, изделий, конструкций и оборудования в планируемых условиях эксплуатации. 

Поскольку веществам присущи как механические, так и физико-химические и технологические свойства, рассматривать их необходимо в совокупности. Это особенно актуально, если изделие состоит из нескольких различных составляющих.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.