Раздел 1. Классификация материалов

В машиностроении, строительстве, приборостроении и других отраслях техники применяется большое количество различных технических материалов, отличающихся один от другого строением и свойствами. Все материалы условно делят на металлические и неметаллические. При этом свойства металлов могут существенно отличаться друг от друга.

Одни металлы встречаются в природе очень редко, другие же являются основными составляющими горных пород, земной атмосферы, морей, океанов. Очень сильно отличаются отдельные металлы друг от друга по температурам плавления, по способностям вступать в химические реакции с другими элементами, а так же с водой и кислородом воздуха. Металлы существенно отличаются друг от друга и по механическим свойствам, что обуславливает возможность их использования в качестве конструкционного материала для изготовления различных изделий. Все металлы имеют различные электрические и магнитные свойства, что очень важно для радио- и электротехники.

Тем не менее по некоторым признакам все металлы, используемые в технике, можно объединить в некоторые группы.

Прежде всего все металлы и полученные на их основе сплавы условно делят на две большие группы – черные и цветные.

К черным металлам относят железо и его сплавы – стали и чугуны. Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.

Черные металлы являются основными конструкционными машиностроительными материалами. Из общего числа выплавляемых в мире металлов 94% приходится на черные. Черные металлы имеют относительно высокую механическую прочность, твердость, плотность и сравнительно невысокую стоимость.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску – красную, желтую, белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой либо высокой (например, тантал, вольфрам) температурами плавления. Наиболее типичными металлами этой группы являются медь, алюминий, хром, никель, цинк, марганец, титан и другие элементы.

Цветные металлы принято делить на легкие с плотностью до 3 г/см3 и тяжелые. К легким металлам относят бериллий, магний и алюминий. Медь, никель, олово, свинец, молибден относят к тяжелым металлам.

Выделяют также группу благородных и редких металлов. Благородными считаются золото, серебро, металлы платиновой группы – платина, палладий, иридий, осмий, рутений. Основным признаком редкого элемента в технике считается сравнительная новизна его практического применения. Поэтому техническое определение редкого элемента не всегда совпадает с геохимическим. Сурьму, висмут и ртуть, например, несмотря на их малое содержание в земной коре, не относят к редким элементам, так как они уже давно известны и практически используются человеком. Важнейшими отраслями применения редких элементов являются главным образом ядерная энергетика, ракетная техника, радиоэлектроника.

Из группы цветных металлов выделяют также легкоплавкие и тугоплавкие металлы. К легкоплавким относят цинк, кадмий, олово, свинец, висмут, сурьму и другие элементы. Некоторые из этих элементов используются для приготовления припоев различных составов и назначения. К тугоплавким относятся титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам и некоторые другие элементы. Их используют главным образом в качестве добавок к сталям для улучшения некоторых качественных характеристик.

В технике применяемые материалы принято классифицировать также по их назначению, т.е. по их функциональному применению. По этому признаку различают материалы конструкционные, инструментальные, электротехнические, антифрикционные, рабочие тела и технологические материалы.

Конструкционные материалы должны обладать комплексом свойств, обуславливающих возможность использовать их для изготовления различных изделий, подвергаемых как механическому нагружению, так и иным воздействиям (высоких температур, агрессивных сред и т.п.). Одновременно к этим материалам предъявляют ряд технологических требований, определяющих наименьшую трудоемкость изготовления деталей и конструкций из этих материалов. Кроме того, конструкционные материалы должны иметь желательно невысокую стоимость и быть доступными, поскольку впоследствии это в значительной степени определяет стоимость изготовленного изделия. В качестве конструкционных материалов используются металлы и сплавы, полимеры, резины, древесина, многие композиционные материалы.

Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, прочности и износоустойчивости не только при нормальных, но и при более высоких температурах и нагрузках. Эти материалы предназначены для изготовления режущего, измерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента. К этим материалам относятся инструментальные стали, твердые сплавы, некоторые виды керамических материалов, природные минералы, многие композиционные материалы и некоторые сверхтвердые синтетические материалы.

Свойства и области использования некоторых конструкционных и инструментальных материалов будут рассмотрены в соответствующих разделах настоящего пособия.

Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами и предназначены для изготовления изделий, используемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии. К ним относятся проводники, полупроводники, материалы с особыми магнитными свойствами, а также диэлектрики в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).

Антифрикционные материалы предназначены для применения в подшипниковых узлах с целью обеспечения по возможности наименьшей скорости изнашивания сопряженной детали – стального вала. Этим обеспечивается заданная работоспособность и ресурс машин и механизмов. Основными критериями для оценки подшипниковых материалов служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики. К этим материалам относятся некоторые цветные металлы (баббиты, бронзы), серые чугуны, многие пластмассы и композиционные материалы на их основе, некоторые виды древесины и древесно-слоистых пластиков, а также металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), резины и другие материалы.

Рабочие тела представляют собой газообразные или жидкие материалы, с помощью которых происходит передача или преобразование энергии. Например, водяной пар служит рабочим телом в паровых машинах и турбинах; фреон, аммиак, углекислота в холодильных установках; воздух в пневматических двигателях; газообразные продукты сгорания органического топлива (бензина, соляра) в двигателях внутреннего сгорания и т.п. В ракетной технике рабочим телом принято считать ракетное топливо.

Технологические материалы – это вспомогательные материалы, которые используются для нормального протекания технологических процессов изготовления деталей машин или же для обеспечения нормальной работы машин и механизмов. К этим материалам можно отнести, например, лаки, краски, эмали; клеи и герметики; флюсы и припои; смазочно-охлаждающие жидкости; жидкие масла и консистентные смазки; закалочные среды; консервационные материалы, обеспечивающие защиту изделий от коррозии при хранении и транспортировке; моющие средства; растворители и т.п.

В технике часто группируют материалы по наиболее важным для определенных условий эксплуатации свойствам. В частности, по электропроводимости различают проводники, полупроводники и диэлектрики, по магнитным свойствам – пара- и ферромагнетики; по теплопроводимости – теплоизоляционные материалы, имеющие низкую теплопроводимость. По степени воздействия на материал окружающей среды различают коррозионно-стойкие материалы, не разрушающиеся под действием кислот, щелочей, влаги, атмосферы воздуха; радиационно-стойкие, сохраняющие свою структуру и физико-механические характеристики в результате воздействия ионизирующих излучений.

Следует заметить, что подобная классификация является достаточно условной, поскольку не всегда четко определяет границу между отдельными видами материалов. Тем не менее принятые термины и определения широко используются в технике и в практике машиностроения, строительства и электротехники.

Вопросы для самопроверки:

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008