ПМ-20 Самостійна тема 1.20.

Тема 1.20. Конструкційні матеріали

Сучасне виробництво має в своєму розпорядженні широкий вибір матеріалів.

Усі конструкційні матеріали можна поділити на традиційні і сучасні. Сучасні матеріали мають свої переваги. Зазвичай, вони більш міцні та довговічні, мають меншу вагу та можуть бути тоншими за традиційні матеріали для забезпечення необхідної надійності предметів. Сучасні матеріали одночасно виконують декілька функцій: захист конструкції від негативного впливу навколишнього середовища, організація комфортного та безпечного тактильного контакту з людиною, до того ж, вони надають виробу високих естетичних якостей. Виготовлення сучасних матеріалів зазвичай є складним, трудомістким процесом, який під силу не кожному виробникові, тому, в переважній більшості, має більшу вартість. Крім того, деякі з сучасних матеріалів не є екологічно чистими та за певних умов виділяють у навколишнє середовище шкідливі речовини.

В об’єктах елементарної конструкції матеріал використовується в моноліті, наприклад, у пластиковому посуді або металевих інструментах. Тобто, у найпростіших конструкціях форма об’єктів в основному залежить від самого матеріалу. Так, меблі, у яких використовується метал як основний конструкційний матеріал, відрізняються більш вільною формою та можливістю її трансформації. Але, у більшості випадків, матеріал впливає на форму не безпосередньо, а через конструкцію.

Властивості конструкційних матеріалів можна згрупувати за такими ознаками:

Традиційні: метал, скло, бетон, деревина , тканина, папір, пластик

Сучасні: бетонополімери, фібробетон, декоративний бетон, сплави металів, триплекси, склопластик, термопластичні полімерні матеріали (полістирол, поліамід, фторопласти, реактопласти).

Механічні властивості.

До механічних властивостей матеріалів зазвичай відносять міцність, пружність, пластичність, крихкість, опір удару, твердість, стиранність, зносостійкість тощо.

Міцність – це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню у процесі діїзовнішніх сил, що викликають у ньому внутрішні напруження. Міцність матеріалу характеризується межею міцності при стисканні, вигинанні чи розтягуванні. Достатньо міцними можна вважати метали, скло, бетон, чого не можна сказати, наприклад, про папір.

Пружність – це властивість матеріалу деформуватися під навантаженням і набувати після зняття навантаження первинної форми і розміру. Найбільша напруга, за якій матеріал ще має пружність, називається межею пружності. До пружних матеріалів відносять деякі види пластику, сталь, деревину. Для природних і штучних кам’яних матеріалів (бетону), скла, паперу, металів пружна деформація незначна.

Пластичність – це властивість матеріалу змінювати під навантаженням форму та розміри без розривів і тріщин і зберігати їх після зняття навантаження. Ця властивість протилежна пружності. До пластичних матеріалів відносять, наприклад, бетон до його затвердіння, метали і сплави.

Крихкість – це властивість матеріалу миттєво руйнуватися під дією зовнішніх сил без помітної пластичної деформації. До крихких матеріалів відносять природний камінь, бетон (у затверділому стані), скло, чавун тощо. Один і той самий матеріал залежно від вихідних умов: температури, середовища, швидкості деформування – може знаходитися в крихкому чи пластичному стані. Наприклад, багато металів та інших матеріалів за нормальної температури – пластичні, а за низької – крихкі.

Опір удару – це властивість матеріалу чинити опір руйнуванню під дією ударних навантажень. До таких матеріалів можна віднести бетон, метали. На відміну від них скло має досить незначний опір удару.

Твердість – це здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Ця властивість матеріалу важлива, наприклад, при облаштуванні підлоги, або для виготовлення частин предметів, що виконують захисну функцію.

Стиранність – це властивість матеріалу чинити опір впливу зношення через стирання. Ця властивість важлива для матеріалів, якими покривають підлогу, сходи (дерево, кахель для підлоги, сходові щаблі тощо). Стиранність матеріалів, зазвичай, визначають у лабораторіях.

Зносостійкість – це руйнування матеріалу при одночасній дії стирання й удару. Подібний вплив на матеріал відбувається у процесі експлуатації підлог промислових будівель тощо.

Фізичні властивості.

Фізичні властивості характеризують фізичний стан матеріалу, його здатність реагувати на вплив навколишнього середовища (високих і низьких температур, води тощо).

До фізичних властивостей матеріалів належать пористість, водопоглинання, водостійкість, водонепроникність, теплоємність, теплопровідність, теплостійкість тощо.

Пористість – це один із важливих показників структури матеріалів, вона показує ступінь заповнення об’єму матеріалу порами. З показником пористості тісно пов’язані інші властивості матеріалів (водопоглинання, морозостійкість, водонепроникність тощо). При цьому значення має не тільки величина загальної пористості, але й форма та розмір самих пустот. Наприклад, морозостійкість бетону при збільшенні об'єму відкритих пор зменшується, а при збільшенні закритих, навпаки, зростає.

Водопоглинання – це здатність матеріалів поглинати й утримувати воду. Водопоглинання показує ступінь заповнення об’єму матеріалу водою. Зміна водопоглинання може вказувати на зміну й інших властивостей матеріалів, наприклад, міцності, морозостійкості, хімічної стійкості. До матеріалів, які здатні поглинати воду, можна віднести бетон, папір, дерево.

Здатність матеріалів зберігати міцність при насиченні водою називається водостійкістю. Одним із таких матеріалів є бетон.

Водонепроникністю називають здатність матеріалів не пропускати воду під тиском. Практично водонепроникними вважаються метали, скло, пластик. Високу водонепроникність такое має кераміка.

Здатність матеріалу поглинати теплоту при нагріванні називають теплоємністю. Достатньо високу теплоємність має цегла та бетон, з яких виготовляють такі елементи інтер’єру як печі, каміни тощо. Матеріали здатні як поглинати, так і передавати теплоту.

Теплопровідність – це важливий критерій теплоізоляційних властивостей матеріалів. Певною мірою теплопровідність характерна навіть для звичайного паперу.

Теплостійкість – це властивість матеріалу зберігати експлуатаційні характеристики (наприклад, міцність, пластичність) при механічному і хімічному впливі в умовах високої температури. Високу теплостійкість мають, наприклад, метали, з яких виготовляють кухонні плити, кераміка та інші матеріали форм для випікання або глечиків та горщиків, які досить часто виконують не тільки функціональне призначення, а й декоративне.

Хімічні властивості.

Хімічні властивості матеріалів характеризуються їх здатністю взаємодіяти з іншими речовинами та чинити опір дії хімічно або біологічно агресивним середовищам.

Хімічна стійкість – це здатність матеріалів протистояти руйнівній дії лугів, кислот, розчинених у воді солей і газів.

Корозійна стійкість – це властивість матеріалів чинити опір агресивному впливу середовища. До агресивних середовищ відносять воду, гази, розчини кислот і лугів, органічні розчинники. Хімічна та корозійна стійкість має бути у матеріалів, із яких виготовляють вироби для кухонь, ванних кімнат та туалетів (метали, скло, пластик тощо). Скажімо, мийку для кухні виготовляють із металу, що відповідає вказаним властивостям, або використовують спеціальне покриття, яке витримує вплив засобів чищення з умістом кислот, гарячу воду тощо.

Архітектурно-художні властивості.

Для оцінювання декоративності конструкційних матеріалів необхідні такі властивості:

- блиск – здатність поверхні направлено відбивати світловий потік;

- текстура – рисунок природного матеріалу, що виражає на його поверхні характерну структуру, особливості побудови;

- фактура – видима побудова поверхні матеріалу (виробу). За характером поверхні матеріалу розрізняють дві групи фактур – рельєфні та гладенькі;

- колір – усвідомлене зорове сприйняття, що виникає внаслідок дії потоків електромагнітного випромінювання у діапазоні видимої частини спектру. Кольорова характеристика необхідна для оцінювання матеріалу з метою забезпечення комфорту і кольорової гармонії опорядження.

Комплексні властивості.

До комплексних властивостей, що характеризують стійкість матеріалів до сукупної дії ряду факторів, відносяться: довговічність, надійність, сумісність, старіння та ерозійностійкість.

Довговічність — властивість об’єкта зберігати працездатність до граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування і ремонту. Кількісно довговічність оцінюється ресурсом або строком служби. Старіння матеріалів — поступове незворотне змінювання властивостей об'єкта, спричинене хімічними та (або) фізичними процесами, що самочинно протікають в матеріалах.

Сумісність — властивість матеріалу вступати у взаємодію з іншими матеріалами, при цьому самі матеріали не повною мірою виключають прояв один одного.

Надійність — властивість технічних об'єктів зберігати у часі в установлених межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах та умовах застосування, технічного обслуговування, зберігання та транспортування.

Ерозійностійкість – здатність твердих матеріалів чинити опір ерозії, тобто проявляти стійкість до чинників зовнішнього середовища.

Характеристика конструкційних матеріалів.

Бетонополімери - спеціальні бетони на мінеральному в'яжучому матеріалі, просочені монополімерамі з їх подальшим затвердінням.

Бетон - штучний каменеподібний матеріал, результат раціонально підібраної суміші в'яжучого матеріалу, заповнювачів, води і, при потребі, спеціальних добавок. До затвердіння цю суміш називають бетонною. Один з основних будівельних матеріалів, що застосовується для виготовлення збірних залізобетонних та бетонних конструкцій і бетонних виробів, а також для будівництва монолітних бетонних і залізобетонних споруд.

Фібробетон — різновид цементного бетону, в якому досить рівномірно розподілені фібра або фіброволокна в якості армуючого матеріалу. Під збірною назвою «Фібра» маються на увазі відрізки тонкого сталевого дроту, відходи цвяхового виробництва, волокна з металу, зі скла, полімерів. Фібра додається в бетон на стадії виробництва бетонної суміші, виконуючи функцію армуючого компонента, і сприяє поліпшенню якості бетону, підвищуючи механічні властивості. Додатковою перевагою фібробетону є його знижена вага в порівнянні з традиційним залізобетоном, що полегшує монтаж конструкцій з фібробетону.

Декоративний бетон - застосовують для імітації каменя, створення додаткових елементів, різноманітних архітектурних форм. Складається цей матеріал, з води, цементу, великих та дрібних наповнювачів, присадок і барвників.

Триплекс є одним з видів безпечного скла.

Скло являє собою два або більше органічних або силікатних скла, склеєних між собою спеціальною полімерною плівкою, яка здатна при ударі утримувати осколки. Це створює характерну «павутину» тріщин. Як правило, виготовляється шляхом пресування при нагріванні.

Склопластик - це композиційний матеріал на основі наповнювача, в якості якого використовуються скляні нитки, тканини, волокна. Саме наповнювач створює каркас для матеріалу і відповідає за якість склопластику: наскільки він міцний, чи може чинити опір при розриві або вигині. До складу склопластику входять також і полімерні речовини. В якості таких матеріалів використовують поліаміди, полікарбонати, епоксиди і поліефірні смоли. Сполучна речовина відповідає за експлуатаційні якості склопластику, такі як: низька теплопровідність, антикорозія, діелектричність, пружність.

Полістирол - продукт полімеризації стиролу, термопласт загальнотехнічного призначення. Завдяки гарним механічним властивостям, прозорості і зовнішньому вигляду, він використовується у світлотехніці та виробах культурно-побутового призначення. Він гарно ріжеться та склеюється, діалектрик, нетоксичний, водо- і радіаційно стійкий, через що використовується у харчовій галузі і медичній техніці. Недоліки: крихкість при нормальних умовах, низька ударна в'язкість, здатність до статичної електризації, низька теплостійкість та хімічна стійкість, горючість.

Поліамід - полімер, складові ланки якого з'єднано амідним зв'язком, Поліаміди — інженерні пластики, що мають високу міцність і ударну в'язкість у широкому діапазоні температур, морозостійкість до −60 °С, має антифрикційні властивості, добре зварюються і склеюються. Недолік: велике водопоглинання, яке приводить до зміни розмірів залежно від вологості навколишнього середовища. ПА застосовують для виготовлення корпусних деталей, що працюють у вузлах тертя, під навантаженням.

Фторопласти - група полімерів на основі фторомістких речовин. Застосування виробів з фторопласту підвищує надійність, збільшує термін служби конструкцій і механізмів, полегшує ремонт і експлуатацію. Фторопласт володіє наступними властивостями: низький коефіцієнт тертя; водовідштовхувальні властивості; відмінні діелектричні властивості; виняткова хімічна інертність; пружність при низьких і високих температурах; температурний інтервал експлуатації від -269 °С до +260 °С; фізіологічна і біологічна нешкідливість; температура плавлення фторопласту близько +327 °С; кислотостійкість та стійкість до багатьох розчинників; фторопласт добре обробляється точінням, свердлінням, фрезеруванням.

Реактопласти – відносяться до класу полімерів різної хімічної природи, які при нагріванні здатні переходити у вʼязкотекучий стан, але при певній температурі і під дією каталізаторів чи ініціаторів хімічних реакцій зазнають полімеризації, внаслідок якої переходять у твердий стан і повторна переробка таких пластмас неможлива. Термореактивні полімери порівняно рідко використовуються у чистому вигляді. Зазвичай, у них вводять наповнювачі (дисперсні, волокнисті), розчинники, згущувачі, стабілізатори, барвники, завдяки чому отримують складні багатокомпонентні системи — реактопласти. Полімерну основу реактопласта називають «смола».