Физические, механические и технологические свойства материалов

План урока

Тема: Физические, механические и технологические свойства конструкционных, природных и искусственных материалов

Ход урока

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений и т.д.

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Неметаллические материалы – это неорганические и органические материалы, графит, пластмассы, стекло, керамика, резина, древесина, ткань, бумага и т.д. Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры (полиэтилен, полистирол).

Композиционные материалы – (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам материалов), полученные из двух и более компонентов ( на металлической или полимерной основе), гетинакс, текстолит, стеклопластик, стеклоткань.

В машиностроении большое применение находят различные неметаллические материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, керамика, лакокрасочные и клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в машиностроении постоянно увеличивается.

Выбор пластмасс определяется назначением детали и характерной особенностью ее получения (прессование, литье и другие способы), причем особенности строения, механические и физические свойства пластмасс существенно влияют на конструкцию детали и способ ее изготовления.

Материалы, применяемые в машиностроении

Для изготовления деталей  машин применяются различные материалы, называемые конструкционными. От правильного выбора конструкционного материала зависят качество, надежность, экономичность  и долговечность деталей и машины в целом. Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические.

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов.
Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами.
Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов цветными.

Строение металлических  конструкционных материалов

В природе существует две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам – кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (металлы); аморфные – хаотичным (стекло)

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой.

Характерным признаком кристалла является твердое состояние до температуры плавления, причем процесс плавления происходит при постоянной температуре.

Все металлы делятся на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали.

Все остальные металлы относятся к цветным. Цветные металлы условно делятся на пять групп:

Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово.

Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт.

Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций и стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди других металлов плотность (удельную массу).

Благородные металлы: золото, серебро, платина. Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействую окружающей среды и агрессивных сред.

Редкие металлы: (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий, уран)

Черные металлы и сплавы

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Железо в чистом виде в машиностроении не применяется. Сталь это сплав с содержанием углерода до 2 %. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2 до 6 %.

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

Стали с особыми физическими свойствами: с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь)

Стали с особыми химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Стали бывают обыкновенного качества и качественные. Нержавеющие стали. Имеют легирующие добавки.

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими углерода более 2 %. Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь,

Цветные  металлы и сплавы

Цветные металлы и сплавы. Многие цветные металлы (Cu, Al, Mg, Pb, Sn, Zn, Ti) и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, низкой плотностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами.

Из цветных металлов и в виде сплавов широко используются алюминий, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.

 Сортовой прокат

• В машиностроении, строительстве, на транспорте широко применяется металлический прокат: листы, полосы, ленты, рельсы, балки и т. д. Его получают в результате обжатия слитка металла в горячем или холодном состоянии между вращающимися валками прокатного стана. Таким образом обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы.

• Профиль проката (форма его поперечного сечения) зависит от формы валков.

Различают следующие профили сортового проката: простые (круг, квадрат, шестиугольник, полоса, лист); фасонные (рельс, балка, швеллер, тавр, двутавр, труба и др.); специальные (арматурная сталь и др.). 

• Чаще всего сортовой прокат используется в качестве заготовок для различных деталей. Например, из шестигранного прутка делают болты, гайки. Из круглого проката вытачивают цилиндрические детали на токарных станках. Уголковый прокат применяется в производстве рам, каркасов, стеллажей и т. д.

Очень широко используется древесина. Древесные породы делятся на две группы: хвойные и лиственные. Распиленная на специальной установке (пилораме) древесина называется пиломатериалом (доски, брусья, бруски). Из древесины делают конструкционные материалы – бумагу, фанеру, ДВП и ДСП.

Современной альтернативой натуральным материалам служат композитные составы:

• ДСП (древесно-стружечная плита) — наиболее дешевый, но достаточно прочный материал, который изготавливают методом прессования древесных стружек с добавлением синтетических смол.

• ДВП (древесно-волокнистая плита) — по технологии производства этот материал близок к ДСП, но для него используются опилки.

Свойства конструкционных материалов

Физико-механические свойства конструкционных материалов подразделяются на: конструкционные, технологические и эксплуатационные

К физическим свойствам металлов относятся: цвет, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение и магнитные свойства.

К физическим свойствам древесины относятся: текстура, цвет, блеск, влажность.

К механическим свойствам относятся:

- прочность - это способность материала  сопротивляться деформации и разрушению.

- упругость – это способность восстанавливать форму после деформации.

- пластичность – способность материала деформироваться.

- твердость – это сопротивление материала проникновению в его него другого, твердого тела

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил а) сжатие, б) растяжение, в) изгиб, г) срез, д) кручение.

Технологическая обработка металлов давлением: прокат, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Вопросы самоконтроля

1. Какие виды конструкционных материалов вы знаете?

2. Чем отличается сталь от чугуна?

3. Какие свойства металлов относятся к механическим свойствам?

4. Назовите основные профили сортового проката?

5. Что такое древесина? Что относится к физическим свойствам древесины?

Виды пиломатериалов: а) пластина, б) четвертина, в) доска, г, д, е, з, и) брус, ж) горбыль.