Механические свойства конструкционных материалов доклад

Обновлено: 02.07.2024

Мир разнообразных конструкций - промышленных, строительных, бытовых - разнообразен и многогранен, но он немыслим без материалов, из которых эти конструкции создаются. Конструкционные материалы содержат небольшое количество неизбежных примесей, образовавшихся естественным путём, причём основная часть примесей присутствует там намеренно.

Что такое конструкционные материалы?

Они отвечают трём требованиям – имеют определённую структуру и уровень свойств, а также пригодны для изготовления каких-либо изделий. Вещества, имеющие жидкую или пастообразную консистенцию, в эту группу не входят.

Большинство материалов для конструкций производятся искусственным способом из специально обработанных или подготовленных составляющих. Некоторые материалы являются веществами природного происхождения, основные свойства которых при обычной обработке не изменяются.

Разновидности конструкционных материалов

Основные конструкционные материалы подразделяют на металлические и неметаллические. Первая группа включает в себя чёрные (сталь, чугун) и цветные металлы и сплавы. Вторая более разнообразна: туда входят:

механические композиты (бетон, цемент);
древесина;
природный камень;
пластмассы, которые могут существовать в виде изомеров – атомов, соединённых между собой разными видами химических связей.

К отдельной группе относят химические композиты, в структуре которых одновременно присутствуют атомы металлов и неметаллов. Достижения современного материаловедения ежегодно приводят к созданию принципиально новых типов конструкционных материалов. Свойства композитов зависят от устойчивости соединения нескольких природных или искусственных веществ, которые получены в определённых условиях. Каждый из конструкционных материалов имеет определённые свойства, соответственно которым устанавливаются области его рационального применения.

Из чёрных металлов и сплавов главнейшее значение имеет сталь и её сплав с графитом – чугун. В качестве цветных металлов наибольшее распространение получили алюминий, медь, никель, титан и их сплавы. Они востребованы практически во всех отраслях промышленного производства, аграрном деле, строительстве, связи.

Типовым представителем механических композитов считается бетон, состоящий из смеси цемента, таких заполнителей, как песок, гравий или щебень, а также воды. Параметры бетона зависят от соотношений, используемых при расчете смеси. Поэтому поставщики бетона обычно предоставляют свойства материала и результаты испытаний для каждого конкретного случая.

Древесина считается конструкционным материалом, если потребительские свойства позволяют использовать её для производства компактной, долговечной продукции. Например, деревья-кустарники, хотя и имеют структуру древесины, могут использоваться только в качестве сырья для лесохимической или целлюлозно-бумажной промышленности.

Природные камни – граниты, базальт, кварц, представляют собой вещества магматического происхождения, образовавшиеся много тысячелетий тому назад вследствие извержения пород из недр Земли с их последующим застыванием. Возможна механическая (резание, шлифовка) или термохимическая (литьё) обработка природного камня.

Пластмассы – обширный класс искусственных веществ, которые создаются в результате контролируемого прохождения химических реакций. Номенклатура применяемых пластиков обширна и ежегодно пополняется новыми представителями.

Рассмотрим классификацию конструкционных материалов более подробно.

Металлические

Включают материалы, полученные переработкой руд чёрных и цветных металлов. Самородные структуры – золото, железо, свинец – в первичном виде не используются, поскольку не обладают теми потребительскими характеристиками, которые необходимы для долговечного применения.

Ведущее место среди металлов принадлежит стали – сплаву железа с не более чем 2% углерода. Особенностями стали являются:

достаточно широкий диапазон марок;
возможность видоизменять характеристики под воздействием температуры;
доступность добычи исходного сырья;
способность к вторичной переработке.

Большинство металлических материалов может проявлять интерметаллидные свойства, образуя новые многокомпонентные соединения.

Поскольку все виды конструкционных материалов тверды, прочны и сохраняют свою форму при повышенных температурах (исключение составляют только олово и свинец, которые используются в качестве припоев), то основные области их применения – строительство, промышленность, средства связи, медицина.

Неметаллические

Получаются как природным, так и искусственным способом. Например, образование изделий из камня – это производство, основанное на переработке естественных заготовок. Остальные виды – керамика, дерево, пластик – получены в результате процессов с искусственно полученными веществами (например, с цементом для бетона), либо с природными компонентами (в частности, для изготовления керамики используют глину).

Процессы, которые необходимы для получения неметаллов:

Добыча исходного сырья – руды, древесины, химических соединений, используемых для производства пластических масс и т.д.
Подготовка сырья к переработке. Для неорганических ископаемых сюда входят технологии обогащения, для органических (древесина, пластик) – различные механо-термические превращения.
Получение продукции и её отделка, например, окраска, нанесение декоративных или технологических покрытий.

Конечные показатели материалов органического происхождения могут сильно отличаться от свойств исходного сырья, в то время как продукты из неорганических компонентов в целом сохраняют свои эксплуатационные показатели.

Композиционные

Композиты образуются только искусственными способами, для чего применяются механические (измельчение, дробление, резка), химические, термические и комбинированные операции.

В число последних входят:

нагрев;
уплотнение;
охлаждение;
растворение.

Нагрев и охлаждение используются для облегчения последующего формоизменения, уплотнение (прессование) – для преобразования заготовок в конечную продукцию, растворение – для ускорения обработки компонентов.

Для получения продукции, основой которой являются высокомолекулярные органические вещества, используют управляемые химические реакции, а для создания композитных конструкционных материалов с особыми свойствами - методы с применением высоких энергий. В результате направленного энергетического воздействия, например, лазерного луча или плазмы, исходная структура веществ необратимо изменяется. В результате образуется продукция, свойства которой в природном виде воспроизвести невозможно. Это направление материаловедения за последние годы развивается наиболее интенсивно, поскольку техника и потребности современного общества требуют материалов, которые обладали бы сочетанием нескольких противоречивых характеристик: например, высокой прочностью при малом весе.

Свойства конструкционных материалов

Их подразделяют на три группы – механические, физические и эксплуатационные.

Физические свойства конструкционных материалов - это параметры, которые можно измерить. Механические свойства считаются показателем поведения материала при различных условиях его нагружения. Эксплуатационные свойства определяют потребительскую ценность материала, например, долговечность и износостойкость.

Обычно все виды свойств рассматривают совместно.

Механические свойства

Определяются химическим составом и внутренней структурой материала, например размером зерна или направлением волокон. На уровень этих свойств влияют условия обработки, особенно, если обработка сопровождается перестройкой внутренней структуры. Уровень механических свойств зависит от условий применения.

Многие механические свойства взаимозависимы: высокие характеристики в одной категории могут сочетаться с более низкими характеристиками в другой. Например, более высокая прочность может быть достигнута за счет более низкой пластичности. Таким образом, верное понимание среды, в которой работает изделие, приводит к выбору оптимального материала.

Основные механические свойства:

предельное сопротивление внешним нагрузкам – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу;
деформируемость без потери целостности;
упругость;
удельная вязкость разрушения.

Физические свойства

Наряду с механическими определяют способность материала удовлетворять производственным требованиям, однако в большинстве случаев мало изменяются от условий внешней обработки.

Основные физические свойства:

плотность;
электропроводность;
теплопроводность/теплоёмкость (иногда сюда же вносят температуропроводность);
температуры перехода в различное структурное состояние;
коэффициенты объёмного расширения.

Физические свойства могут измеряться непосредственно. Для каждого вида материала разработаны стандартные методики оценки, поэтому результат определяют узкие диапазоны значений. Выбор происходит обычно уже по заданным значениям физических параметров.

Технологические свойства

Используются для определения способности материала к обработке. Включают в себя пластичность и жёсткость, причём численные нормируемые параметры здесь отсутствуют. Технологические свойства конкретизируются для определённых условий обработки и устанавливаются исключительно по результатам испытаний на специализированном лабораторном оборудовании.

Эксплуатационные свойства

Необходимы для оценки долговечности/износотойкости изделия, которое изготовлено из данного конструкционного материала. Износостойкость - это мера способности материала противостоять контактному трению, которое может принимать различные формы:

адгезию (сцепление;
истирание;
царапание, долбление;
температурный износ.

Управление фактическими эксплуатационными показателями входит в число обязательных этапов конструирования детали или узла.

Химические свойства

Более значимы для материалов, состав которых может изменяться под влиянием внешних условий. К таким свойствам относят:

стойкость против коррозии (для металлов);
химическая стабильность (для пластика;
инертность при воздействии внешних агрессивных сред.

Стабильность химических свойств имеет решающее значение при выборе типа композитов.

К основным механическим свойствам конструкционных материалов и сплавов, определяющим работоспособность и область их применения, относят: твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость. Приведем краткие определения этих понятий.

Твердость– сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.

Прочность– сопротивление материала разрушению при воздействии внешних напряжений.

Упругость– способность материала восстанавливать свои размеры и форму при снятии внешних напряжений. Не всегда упругость считают отдельной самостоятельной характеристикой материала. Часто упругость считают элементом прочностной характеристики материала.

Пластичность– способность материала приобретать остаточную (пластическую) деформацию при нагружении, менять размер и форму, не разрушаясь.

Вязкость– это сопротивление материала динамическому, ударному воздействию нагрузки. Динамические испытания на ударный изгиб позволяют выявить склонность стали к хрупкому разрушению.

Выносливостьили сопротивление усталости – это способность металла сопротивляться процессу постепенного возникновения и развития трещин под влиянием многократных повторных силовых воздействий, величина которых намного меньше предельной прочностной нагрузки, за счет чего при таком разрушении не возникает видимой пластической деформации.

Все вышеназванные свойства имеют и количественные параметры. Эти параметры могут быть получены с использованием различных схем нагружения. Например, прочность можно оценить при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Естественно, что количественные параметры, полученные с использованием различных схем нагружения, будут существенно отличаться. Предел прочности для серых чугунов, определенный при растяжении, в два раза меньше предела прочности, полученного при изгибе, и в четыре раза меньше, определенного при сжатии. Имеет значение и скорость приложения нагрузки. С увеличением скорости предел прочности растет, для малоуглеродистой стали предел прочности при ударном нагружении на 30% выше, чем при статическом. Чтобы оценить пригодность какого-либо материала, выполнить приемо-сдаточные испытания, а особенно при арбитражных спорах, нужно провести количественную оценку его свойств в условиях, идентичных для подобного класса материалов. Соответствующие виды и способы испытаний оговорены в ГОСТах на каждый класс материалов. Уровень свойств стандартных широко используемых в практике материалов приводится в ГОСТах, справочной литературе или учебниках материаловедения.

Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками. Некоторые детали испытывают нагрузки, которые всегда работают в одном направлении. Другие детали-удары, другие детали-нагрузки разных размеров и направлений.

Некоторые детали машины нагружены при высоких или низких температурах. Поэтому для определения механических свойств металлов были разработаны различные методы испытаний. Различают статические и динамические испытания.

Статический тест — это тест, в котором к испытательному материалу применяется постоянная или дополнительная нагрузка.

Динамический тест называется, когда материал подвергается ударной нагрузке.

Наиболее распространенными испытаниями являются твердость, статическое напряжение и ударная вязкость. Кроме того, могут проводиться испытания на усталость, ползучесть и износ. Это дает вам более полную картину свойств металла.

Испытание на растяжение. Статическое испытание на растяжение является распространенным методом для механических испытаний металлов. Эти испытания создают однородное напряженное состояние поперечного сечения образца, и материал подвергается нормальным и касательным напряжениям.

В принципе, статические образцы используют круглый образец или плоский образец 2 (лист). Образец имеет рабочую часть и головку, предназначенные для закрепления на рукоятке прибора для испытания на растяжение.

Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины / 0 к начальному диаметру называется кратностью образца, и от этого зависит конечное удлинение. На практике используются образцы с кратностью. Наиболее распространенным является образец с кратностью 5.

Различные неметаллические материалы

Расчетная длина немного короче рабочей длины. Размер выборки стандартизирован. Диаметр рабочей части.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытательном образце, и испытательный образец расширяется. Он взрывается, как только напряжение превышает силу образца.

Перед испытанием образец фиксируется в вертикальном положении захвата машины. представляет собой схему испытательной машины, и основными ее элементами являются следующие. Механизм загрузки привода, который плавно загружает образцы до их повреждения.

Устройство измерения силы для измерения прочности образца на разрыв, механизм для автоматической регистрации натяжения.

Во время теста механизм диаграммы непрерывно записывает так называемую первичную (механическую) диаграмму растяженияв координатах нагрузки Абсолютное удлинение образца. На растягивающем чертеже пластичного металлического материала можно выделить три отдельных сечения. Секция ОА (прямая).

При переходе от упругой деформации к упругой деформации некоторых металлических материалов на диаграмме механического натяжения может отображаться небольшой горизонтальный участок LL, называемый пределом текучести.

Образец будет длинным без увеличения нагрузки — металл останется неповрежденным. Минимальное напряжение, при котором образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести.

Прочность и долговечность конструкции

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и некоторых сортов латуни. Нет предела текучести при растяжении высокоуглеродистой стали.

По мере увеличения упругопластической деформации сила сопротивления образца увеличивается и достигает максимального значения в точке В. Для пластиковых материалов локальное сужение образуется в самой слабой части образца в этой точке, и дальнейшая деформация приводит к разрыву образца.

При растяжении определяются показатели прочности и пластичности материала.

Показатель прочности материала характеризуется напряжением, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерной точке на диаграмме растяжения).

Сплав представляет собой твердое вещество, образованное слиянием двух или более компонентов. Сплавы образуются в результате чисто физических процессов (растворение, смешивание) и в результате химических взаимодействий между элементами.

Диаграмма растяжения металлов

Разнообразие межатомных связей и состав кристаллической структуры сплава имеют большое значение в физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойствах. Сплавы на основе железа называются черными на основе других металлических цветов.

Неметаллические материалы — неорганические и органические материалы, композиты на неметаллической основе, клеи, герметики, краски, графит, стекло, керамика.

Полимер — это вещество, полимер которого состоит из множества основных звеньев (мономеров) с одинаковой структурой.

Композит-гетерогенная система (состоящая из фаз с различными физическими и химическими свойствами), полученная из двух или более компонентов при сохранении индивидуальности отдельных компонентов.

Материал является гомогенным на макромасштабе и неоднородным на микромасштабе (компоненты имеют разные характеристики, и между ними существует четкая связь).
Одним из компонентов, который имеет непрерывность по всему объему, является матрица. Прерывистые ингредиенты, деленные на объем композиции, считаются усиливающими или усиливающими.

Технологические свойства конструкционных материалов

Различные неметаллические материалы, такие как пластик, резина, стекло, керамика, краски и клеи, широко используются в машиностроении, и с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в машиностроении постоянно увеличивается.

Выбор пластика зависит от назначения детали и ее производственных характеристик (прессование, литье, другие методы), а структурные характеристики, механические и физические свойства пластика оказывают большое влияние на конструкцию детали и способ ее изготовления.

Реферат на тему	На заказ	Образец и пример
Механические и технологические испытания и свойства конструкционных материалов	Характеристики отливки — это способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму (текучесть), степень химической неоднородности поперечного сечения результирующего отливки (сегрегация), а также во время усадочно-кристаллизационной формы и дальнейшего охлаждения. Определяется уменьшением линейного размера.	Свариваемость — это способность материала формировать цельное соединение требуемого качества во время сварки. Свойства определяются качеством сварного шва.

Использование порошкообразных материалов позволяет получать продукты со специальными свойствами и структурами, которые не могут быть достигнуты другими методами производства, или продукты с обычным составом, структурой и свойствами, но со значительно выгодными экономическими показателями производства. Зависит от необходимости.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные.
1.1. Классификация конструкционных материалов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
УПРУГОСТЬ
ПРОЧНОСТЬ
ТВЕРДОСТЬ
ПЛОТНОСТЬ

Прочность – это способность материала противостоять разрушению.

МАТЕРИАЛЫ С РАЗНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ
Плотность материала характеризует то, как близко расположены друг к другу его атомы и молекулы.
Чем больше плотность материала, тем тяжелее будет изделие из него.

Твёрдость (жёсткость) – это способность материала сопротивляться деформациям.
Твердый материал
Нетвердый материал

Деформация – это изменение формы какого-нибудь предмета под действием внешних сил.

Различают несколько видов деформации:
изгиб
кручение
сжатие
растяжение

Упругость – это свойство материала деформироваться (изменять форму) под действием каких-либо сил, а потом восстанавливаться после того, как эти силы перестают действовать.

Хрупкость – это свойство материала разрушаться при небольшой деформации под действием внешней силы или от удара.
Стекло-очень хрупкий материал
Алюминий-нехрупкий материал

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
УПРУГОСТЬ
ПРОЧНОСТЬ
ТВЕРДОСТЬ
ПЛОТНОСТЬ
Основные механические свойства

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
электропроводность
цвет
теплопроводность
магнитные свойства

Цвет – способность материалов отражать световое излучение с определенной длиной волны.
Медь – розово-красный цвет
Алюминий - серебристо-белый цвет

Магнитные свойства - способность металлов намагничиваться

Теплопроводностью называют способность передавать теплоту от более нагретых к менее нагретым участкам тела.

Электропроводность -способность материала проводить электрический ток.

Виды деформации
Выберите из списка разновидности деформации.

Твёрдые и хрупкие материалы
Разделите материалы по соответствующим категориям.
Алюминий
Медь
Дерево
Стекло
Хрусталь

Магнитные свойства материалов

Зачеркните материалы, имеющие слабые магнитные свойства.

Физические свойства материалов

Расставьте подписи к изображениям.

Магнитные свойства Теплопроводность
Цвет
а
б
в

Механические свойства материалов

Расставьте подписи к изображениям.
а
б
в
Твёрдый материал
Хрупкий материал
Упругий материал

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс профессиональной переподготовки

Технология: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Дистанционные курсы для педагогов

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 602 780 материалов в базе

Материал подходит для УМК

Глава 6. Свойства материалов

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

11.06.2021 1851
PPTX 5.9 мбайт
483 скачивания
Рейтинг: 5 из 5
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Курилова Виктория Анатольевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Новые курсы: функциональная грамотность, ФГОС НОО, инклюзивное обучение и другие

Время чтения: 15 минут

Каждый второй ребенок в школе подвергался психической агрессии

Время чтения: 3 минуты

Школьник из Сочи выиграл международный турнир по шахматам в Сербии

Время чтения: 1 минута

Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы

Время чтения: 0 минут

Минпросвещения России подготовит учителей для обучения детей из Донбасса

Время чтения: 1 минута

Инфоурок стал резидентом Сколково

Время чтения: 2 минуты

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Читайте также: