Конструкционные материалы это вещество или смесь веществ, имеющих определённую структуру и уровень свойств, пригодных для изготовления каких-либо изделий, а также участвующие в процессе производства, например, придающие изготовленной продукции определённые свойства.
Основные механические свойства конструкционных материалов:
- Прочность – способность материала противостоять разрушению.
- Твёрдость (жёсткость) – способность материала сопротивляться деформациям.
- Деформация – изменение формы какого-нибудь предмета под действием внешних сил.
- Упругость – свойство материала деформироваться (изменять форму) под действием каких-либо сил, а потом восстанавливаться после того, как эти силы перестают действовать.
- Хрупкость – свойство материала разрушаться при небольшой деформации под действием внешней силы или от удара.
Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться обработке в холодном и горячем состоянии.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в различных условиях. Важнейшими среди них являются: надежность, долговечность, износостойкость, фрикционные свойства (коэффициент трения, склонность к задирам на трущихся поверхностях), хладостойкость, повреждаемость в условиях радиации и др.
Физические свойства — цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоёмкость, электропроводность и электросопротивление, магнитные свойства и пр.
Химические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться вступлению в соединение с другими веществами (кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.).
Долговечность — свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения. Постепенное разрушение — потеря работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.
При изготовлении тех или иных изделий следует учитывать и другие свойства материалов. Например, для электрических изделий важным свойством является их способность проводить электрический ток. Для других изделий важна стойкость материала к огню и способность не передавать тепло.
При выборе материалов в первую очередь требуется всесторонне рассмотреть условия его работы и разграничить факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие — по возможности.
Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно, если в конструкции должны работать разные материалы.
Таблица 1. Показатели и основные зависимости, определяющие характеристики металлов
| Характеристика металлов | Обозначение | |
| Механические свойства | ||
| Предел текучести — предельное растягивающее напряжение | σт | МПа |
| Модуль продольной упругости, Е = σ / ε = Рl0 / F0 Δl, где ε = Δl / l0 | Е | МПа |
| Модуль сдвига — G = σ / α, где α ≈ tg α | G | МПа |
| Временное сопротивление при растяжении, σв = Рmах / F | σв | МПа |
| Относительное удлинение, δ = ( l1 — l0 ) / l0 | δ | % |
| Относительное сужение, Ψ= (F0 — F1) / F0 | Ψ | % |
| Предел упругости — σе= Р/ F, | σе | МПа |
| Твердость | HB; HRCэ; HV | |
| Предел выносливости (усталости) при симметричном цикле напряжения
σ-1= (0,49 ± 0,13) σв; σ-1 =0,75 σе. |
σ-1 | МПа |
| Ударная вязкость — работа разрушения образца, ан = А / F = 1,25А | ан | кДж/м2; Дж/см2 |
| Предел прочности хрупких материалов при статическом изгибе
σи = 32М / nd3 или σи = 6М / bh2 |
σи | МПа |
| Напряжение сдвига при скручивании τ = γG = 0,5 Gθd
стержня τmах = 16M / πd3; трубы τ = 16М / πd3( 1 — d14/d4 ) |
τ | МПа |
| Физические свойства | ||
| Плотность — отношение массы вещества к его объему | γ | г/см3 |
| Температура плавления — превращение твердого вещества в жидкое | tпл | °С |
| Теплопроводность λ = Ql / F (t1 — t2) ч | λ | Вт/(см·°С) |
| Коэффициент линейного расширения — линейная деформация материала
при изменении температуры на 1 °С |
α
α·106 |
1/°С |
| Напряженность работы | р·v | МПа/м·с |
| Удельная теплоемкость | кДж/(м ·°С); Дж/(см ·°С); | |
| Удельное электрическое сопротивление (ρ·106 ) | ρ | Ом·мм2 /м |
| Электрическая прочность | кВ/мм2, Ом/мм2 | |
Примечание. Pmax — максимальная нагрузка; F0 — первоначальная площадь поперечного сечения; l0 — первоначальная длина; А — работа; М — изгибающий момент; b и h — ширина и высота сечения; d — диаметр образца; Q — количество теплоты; (t1 — t2) — разность температур; ч — время; θ — угол скручивания на единицу длины.
Таблица 2. Значения модуля продольной упругости Е, модуля сдвига G, коэффициента Пуассона v, температурного коэффициента линейного расширения α и плотности γ для некоторых часто применяемых материалов при 20°С
| Материал | Модуль продольной упругости Е, Па | Модуль сдвига G·1010, Па | Коэффициент Пуассона, v | Температурный коэффициент линейного расширения, α ·10-6 °С— 1 | Плотность у γ·103, кг/м3 |
| Сталь | (1,90÷2,15)1011 | 7,8÷8,30 | 0,25÷0,33 | 10÷13 | 7,7÷7,8 |
| Серый чугун | (0,78÷1, 47)1011 | 4,42 | 0,23÷0,27 | 8,7÷11 | 7,0÷7,1 |
| Бронза оловянная | (0,74÷1,22)1011 | — | 0,32÷0,35 | 17÷22 | 8,6÷8, 8 |
| Бронза безоловянная | (1,03÷1,18)1011 | — | — | 17÷22 | 8,6÷8,8 |
| Латунь алюминиевая | (0.98÷1, 08)1011 | 3,63÷3,92 | 0,32÷0,34 | 17÷22 | 8,2÷8,5 |
| Алюминиевые сплавы | (6,87÷7,07)1010 | 2,65 | 0,33 | 22÷24 | 2,6÷2,7 |
| Текстолит | (5,88÷9,81) 1010 | — | — | 20÷40 | 1,25÷1,4 |
| Генитакс | (9,81÷17,7) 1010 | — | — | 17÷25 | 1,17÷1,37 |
| Капрон | (1 ,37÷1,96)1010 | — | — | — | 1,14÷1,37 |
Примечание. Плотность γ = 7,0·103 кг/м3 = 7,0 г/см3 = 7,0 кг/дм3.
Таблица 3. Коэффициенты линейного расширения α·10-6 металлов и сплавов (в интервалах температур в °С)
| Металл или сплав | Значения а при интервалах температур в °С | |||||
| 20-50 | 20-100 | 20-200 | 20-300 | 20-400 | 20-500 | |
| Железо | 11,8 | 12,2 | 12,8 | 13,4 | 13,9 | 14,5 |
| Сталь углеродистая | — | 10,6-12,2 | 11,3-13,0 | 12,1-13,5 | 12,9-13,9 | 13,5-14,3 |
| Сталь хромистая | — | 11,2 | 11,8 | 12,4 | 13,0 | 13,6 |
| Чугун | — | 8,7-11,1 | 8,5-11,6 | 10,1 — 12,2 | 11,5-12,7 | 12,9-13,2 |
| Бронза алюминиевая | — | 17,6 | 17,9 | 19,2 | — | — |
| Бронза оловянистая | — | 17,6 | 17,9 | 18,2 | — | — |
| Алюминий чистый | — | 23,9 | 24,3 | 25,3 | 26,5 | — |
| Медь техническая | 16,9 | 16,6-17,1 | 17,1-17,2 | 17,6 | 18,0-18,1 | 18,6 |
| Латунь красная | — | 17,2 | 17,5 | 17,9 | — | — |
| Латунь желтая | — | 17,8 | 18,8 | 20,9 | — | — |
Пример. Шпиндель из стали 40Х длиной l = 800 мм имеет начальную температуру t1 = 20° С и конечную t2 = 60° С. Удлинение Δl = α·10-6 l(t2 — t1) = 11,2 · 10-6·800 (60 — 20) = 0,358 мм.
Таблица 4. Перевод коэффициентов твердости НВ, НRС и НRСэ конструкционной стали
| HB | HRC | HRCЭ | σв стали, МПа | HB | HRC | HRCЭ | σв стали, МПа | ||||
| углеродистой | хромистой | хромо-
никель |
углеродистой | хромистой | хромо-
никель |
||||||
| 652 | 63 | 64 | — | — | — | 311 | 34 | 36 | 112 | 109 | 106 |
| 627 | 61 | 62 | — | — | — | 302 | 33 | 34 | 108 | 105 | 102 |
| 600 | 59 | 60 | — | 210 | 204 | 293 | 31 | 33 | 105 | 102 | 99 |
| 578 | 58 | 59 | — | 203 | 197 | 286 | 30 | 32 | 102 | 100 | 97 |
| 555 | 56 | 57 | — | 195 | 189 | 277 | 29 | 31 | 100 | 97 | 94 |
| 532 | 54 | 55 | — | 185 | 180 | 269 | 28 | 30 | 97 | 94 | 91 |
| 512 | 52 | 53,5 | — | 178 | 173 | 262 | 27 | 29 | 94 | 92 | 89 |
| 495 | 51 | 52,5 | — | 173 | 168 | 265 | 26 | 28 | 92 | 89 | 86 |
| 477 | 49 | 50,5 | — | 168 | — | 248 | 25 | 27 | 89 | 87 | 84 |
| 460 | 48 | 49,5 | — | — | 156 | 241 | 24 | 26 | 87 | 84 | 82 |
| 444 | 47 | 48,5 | — | 156 | — | 235 | 23 | 25 | 85 | 82 | 80 |
| 430 | 45 | 46,5 | — | 150 | 146 | 229 | 22 | 24 | 82 | 80 | 77 |
| 418 | 44 | 45,5 | 151 | 147 | 143 | 223 | 21 | 23 | 80 | 78 | 76 |
| 402 | 43 | 44,5 | 145 | 141 | 137 | 217 | 20 | 22 | 78 | 76 | 74 |
| 387 | 41 | 42,5 | 139 | 136 | 132 | 212 | 19 | 21 | 75 | 74 | 72 |
| 375 | 40 | 41,5 | 134 | 130 | 127 | 207 | 18 | 20 | 74 | 72 | 70 |
| 364 | 39 | 40,5 | 130 | 127 | 123 | 202 | — | 73 | 71 | 68 | |
| 351 | 38 | 39,5 | 126 | 122 | 119 | 170 | — | 61 | 59 | 58 | |
| 340 | 37 | 38,5 | 122 | 119 | 116 | 149 | — | 53 | 51 | 50 | |
| 332 | 36 | 37,5 | 120 | 117 | 113 | 128 | — | 46 | 45 | 44 | |
| 321 | 35 | 37 | 115 | 112 | 109 | 118 | — | 43 | 42 | 40 | |
| 311 | 34 | 36 | 112 | 109 | 106 | 112 | — | 40 | 39 | 38 | |
Таблица 5. Перевод коэффициентов твердости НВ в коэффициенты твердости по шкале Шора (НSh)
| НВ | S | НВ | S | НВ | S | НВ | S | НВ | S | НВ | S |
| 444 | 64 | 332 | 50 | 255 | 40 | 201 | 32 | 163 | 27 | 131 | 22 |
| 429 | 62 | 321 | 49 | 248 | 39 | 197 | 31 | 159 | 26 | 128 | 22 |
| 415 | 61 | 312 | 47 | 241 | 38 | 192 | 30 | 156 | 26 | 123 | 21 |
| 401 | 59 | 302 | 46 | 235 | 37 | 187 | 30 | 152 | 25 | 121 | 21 |
| 388 | 57 | 293 | 45 | 229 | 36 | 185 | 29 | 149 | 24 | 118 | 21 |
| 375 | 56 | 283 | 44 | 223 | 35 | 179 | 29 | 147 | 24 | 116 | 20 |
| 363 | 54 | 277 | 43 | 217 | 34 | 174 | 28 | 143 | 24 | 114 | 20 |
| 352 | 53 | 270 | 42 | 212 | 34 | 170 | 28 | 140 | 23 | 111 | 20 |
| 341 | 51 | 260 | 41 | 207 | 33 | 167 | 27 | 137 | 23 | 110 | 20 |
| 135 | 23 | 107 | 19 |
Таблица 6. Коэффициенты трения скольжения (ориентировочные)
| Материалы трущихся тел | При покое | При движении | ||
| насухо | со смазкой | насухо | со смазкой | |
| Сталь — сталь | 0,15 | 0,1-0,12 | 0,15 | 0,05-0,1 |
| Сталь — чугун | 0,3 | — | 0,18 | 0,05-0,15 |
| Сталь — бронза | 0,15 | 0,1-0,15 | 0,15 | 0,1-0,15 |
| Сталь — дуб | 0,6 | 0,12 | 0,4-0,6 | 0,1 |
| Чугун — чугун | — | 0,18 | 0,15 | 0,07-0,12 |
| Чугун — бронза | — | — | 0,15-0,2 | 0,07-0,15 |
| Бронза — бронза | — | 0,1 | 0,2 | 0,07-0,1 |
| Чугун — дуб | 0,65 | — | 0,3-0,5 | 0,2 |
| Кожа — чугун | 0,3-0,5 | 0,15 | 0,6 | 0,15 |
| Резина — чугун | — | — | 0,8 | 0,5 |
Таблица 7. Коэффициенты трения качения для катка на плоскости (ориентировочные)
| Материалы трущихся тел | Коэффициент трения, см |
| Мягкая сталь — мягкая сталь | 0,005 |
| Закаленная сталь — закаленная сталь | 0,001 |
| Чугун — чугун | 0 005 |
| Дерево — сталь | 0,03-0,04 |
| Дерево — дерево | 0,05-0,08 |
Таблица 8. Удельный вес некоторых материалов, (10-2 Н/см3)
| Материал | Удельный вес | Материал | Удельный вес | Материал | Удельный вес |
| Алмаз | 3,52 | Никель | 8,3-8,9 | Сталь катаная | 7,85-8,0 |
| Алюминий (прокат) | 2,65 — 2,75 | Платина | 21,5 | Сталь литая | 7,5-7,92 |
| Асбест | 2,1-2,8 | Припои мягкие | 7,6-10,7 | Стекло | 2,42-3,86 |
| Асбестовый шнур | 1,11 | Припои твердые | 8,1-8,3 | Стекло
органическое |
1,18 |
| Баббит | 7,5-10,5 | Припои серебряные | 8,6-9,5 | ||
| Бронза алюминиевая | 7,7 | Пробка | 0,24 | Текстолит | 1,3-1,4 |
| Бронза оловянистая | 8,6-9,3 | Резина вулканизированная | 1,00 | Уран | 18,7 |
| Бронза фосфористая | 8,8 | Фибра | 1,1-1,4 | ||
| Войлок технический | 0,2-0,38 | Ртуть твердая (при — 40 °С) | 15,632 | Хром | 7,14 |
| Гетинакс | 1,3-1,4 | Целлулоид | 1,35-1,4 | ||
| Графит | 2,20 | Ртуть жидкая (при + 20 °С) | 13,55 | Цемент | 0,82-1 95 |
| Дуралюмин | 2,75-2,90 | Цинк | 6,6-7,1 | ||
| Золото | 18,6-19,35 | Свинец | 11,3-11,4 | Цинковые сплавы | 5,25-7,25 |
| Каучук | 0,93 | Серебро | 10,4-10,75 | Чугун ковкий | 7,2-7,4 |
| Корунд | 3,9-4,0 | Слюда | 2,8-3,2 | Чугун серый | 6,6-7,4 |
| Латунь | 8,4 — 8,85 | Сормайт № 1 | 7,4 | Эбонит диэлектрический | 1,25 |