Потребительские свойства

Потребительские свойства материалов определяют возмож­ность их использования при максимальной работоспособности в ус­ловиях эксплуатации или потребления.

Перечень и величина потребительских свойств в обязательном порядке устанавливаются в государственных стандартах, что создает законодательные основы гарантии качества и безопасности исполь­зуемых веществ и материалов. Для каждого материала перечень по­требительских свойств, называемый Номенклатурой показателей ка­чества, устанавливается в стандартах государственной системы «Система показателей качества».

Показателями качества могут быть как показатели физических свойств, величина которых определена в стандартных условиях, так и специфические показатели, определяющие возможность максималь­ной работоспособности материала в условиях эксплуатации или по­требления.

Показатели качества в Номенклатуре показателей качества распределены по следующим группам: назначение, надежность, эргономичностъ и эстетичность, технологичность, унификация, стандар­тизация, патентно-правовые показатели, экологические показатели, безопасность, транспортабельность.

Группой показателей качества, имеющей социальное и техни­ко-экономическое значение, является надежность.

Надежность — свойство объекта сохранять во времени и в ус­тановленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.,

В группу показателей надежности входят такие характеристи­ки, как долговечность, сохраняемость, безотказность, ремонтопри­годность и др. На материалы распространяются в основном такие показатели надежности, как долговечность и сохраняемость.

Долговечность — свойство материала сохранять работоспо­собность до предельного состояния, которое определяется степенью разрушения, требованиями безопасности или экономическими сооб­ражениями (время, в течение которого материал способен эксплуатироваться).

Потребительские свойства материалов, используемые для оценки их долговечности, можно разделить по области применения на две группы:

1) свойства, позволяющие оценить прочность, твердость или изменение формы изделия при воздействии окружающей среды (потоков масс и излучений, агрессивности среды и т. п.);

2) свойства, использующиеся для оценки последствий механи­ческих воздействий на прочностные показатели материалов, в том числе при различных параметрах окружающей среды.

Для свойств первой группы в их наименовании традиционно используется слово «стойкость». Так, для оценки прочности при воз­действии окружающей среды используются термины атмосферо-свето-, химическая, радиационная, водо-, огне-, жаро-, термо-, морозо-хладо- и др., а для оценки твердости — красностойкость. Для оценки способности сохранять форму при воздействии окружающей среды: используют термины огнеупорность и теплостойкость.

Атмосферостойкость — способность материала сопротивляться раз­рушающему действию солнечных лучей, дождя, мороза, снега, ветра и других атмосферных факторов, например газов и пыли, загрязняющих нижние; слои атмосферы.

Светостойкость — способность материала сохранять свои физике химические свойства под действием световых лучей.

Химическая стойкость — способность материала сопротивляться воз­действию кислот, щелочей, растворов солей и газов.

Не способны сопротивляться действию даже слабых кислот карбонат­ные природные каменные материалы - известняк, мрамор, доломит; не сто­ек к действию концентрированных щелочей битум. Наиболее стойкими ма­териалами по отношению к действию кислот и щелочей являются керамиче­ские материалы и изделия, а также многие изделия на основе пластмасс.

Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свои струк­туру и свойства после воздействия ионизирующих излучений. Для сравни­тельной оценки используется «толщина слоя половинного ослабления», равная толщине слоя защитного материала, необходимой для ослабления интенсивности излучения в два раза.

Водостойкость W —способность материалов сохранять необходимые прочностные свойства при действии воды. Водостойкость материала ха­рактеризуется коэффициентом размягчения.

Коэффициент размягчения К_р — отношение прочности материала, на­сыщенного водой, к прочности сухого материала.

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, назы­ваются водостойкими.

Огнестойкость — способность материалов сохранять необходимые эксплуатационные свойства при действии высоких температур, пламени и воды в условиях пожара в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, то есть от его способности воспламеняться и гореть.

Огнестойкость выражается произведением потерь массы Δ m (мг) на пути распространения пламени s (мм), которое определяет степень сгора­ния от 0 (полностью сгораемые материалы) до 5 (негорючие материалы). Для измерения этой характеристики образец прикладывают к раскаленно­му стержню (Т = 1223 К) на установленное время, а затем, загасив сухим способом пламя, определяют потерю массы Δ m. Путь пламени s определя­ют как разность между исходной длиной образца и длиной его части, на которой не обнаружено обугливания, оплавления или разложения.

По огнестойкости материалы классифицируются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температу­ры не горят и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич и др.). Однако необ­ходимо учитывать, что некоторые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600 °С, поэтому конструкции из подобных материалов приходится защи­щать более огнестойкими материалами. Трудносгораемые материалы (ас­фальтобетон, фибролит, некоторые пенопласты и др.) под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия ог­ня их горение и тление прекращаются. Сгораемые (как правило, органиче­ские) материалы горят открытым пламенем и продолжают гореть после удаления источника огня.

Жаростойкость: 1) для металлических материалов то же, что жаро­упорность, окалиностойкость, — способность противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислитель­ной газовой среды при высоких температурах; 2) для других конструкци­онных материалов (например, бетона) — способность сохранять или лишь незначительно изменять механические свойства при высоких температурах.

Для чугунов, стекол и керамических изделий (главным образом, огне­упорных) используется понятие термостойкость.

Термостойкость (термическая стойкость) — способность хрупких ма­териалов противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям. Тер­мостойкость определяется перепадом температур при закалке до комнат­ной температуры, при котором еще не наступает разрушение материала или числом теплосмен (циклов нагрева и охлаждения), выдерживаемых об­разцом (изделием), до появления трещин.

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдер­живать многократное число циклов попеременного замораживания и от­таивания без видимых признаков разрушения и без значительного пони­жения прочности. Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости (например, F50). За марку материала по мо­розостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замо­раживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; образцы после испытаний не должны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потеря массы не более 5 %). От морозостойкости зависит долговечность строи­тельных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмо­сферных факторов и воды.

Хладостойкость — способность высокополимерных материалов про­тивостоять низким температурам. За хладостойкость принимается отрица­тельная температура, при которой после установленного времени выдерж­ки на образцах материала появляются признаки их механического разру­шения (трещины и др.).

Красностойкость — способность сплава сохранять при нагреве до температур красного каления (обычно 600...650 °С) высокую твердость и износостойкость. Повышенная красностойкость — характерное свойство инструментальных сталей.

Огнеупорность — способность некоторых материалов (главным обра­зом, огнеупоров) противостоять, не расплавляясь и не деформируясь, воз­действию высоких температур (от 1580 °С и выше). Материалы по степени огнеупорности подразделяют на огнеупорные (от 1580 °С), тугоплавкие (1350...1580 °С) и легкоплавкие (менее 1350 °С).

Огнеупоры — материалы и изделия преимущественно из минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °С. Различают изделия огнеупорные (огнеупорность 1580...1770 °С), высокоогнеупорные (1770...2000 °С) и высшей огнеупорности (свыше 2000 °С). Применяются для кладки про­мышленных печей для получения и плавки металлов (около 60 % потребле­ния огнеупоров), получения кокса, обжига цемента, в энергетических уста­новках, топках и других теплотехнических агрегатах.

Для высокомолекулярных полимерных материалов определяется теп­лостойкость. Теплостойкость характеризуют температурой, при которой наступает еще допустимое для данного изделия изменение формы.

Потребительские свойства второй группы позволяют дать оценку работы материалов в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации, то есть с учетом различного рода механиче­ских воздействий на них, в том числе в агрессивных средах. Среди та­ких свойств - релаксация напряжений, ползучесть, усталость, выносливость. Большое значение имеют такие характеристики потреби­тельских свойств, как живучесть, длительная прочность, жаропроч­ность, истираемость и сохраняемость.

Релаксация напряжений — процесс уменьшения во времени напряже­ний деформируемого материала в результате перехода упругой деформа­ции в пластическую при условии постоянства общей деформации. Меха­низм релаксации может быть дислокационным, диффузионным и смешан­ным при совместном развитии процессов движения дислокаций и диффузии атомов. Релаксация напряжений наблюдается, например, в пред­варительно напряженной арматуре в период изготовления железобетонных конструкций.

Ползучесть — медленная непрерывная пластическая деформация ма­териалов под действием постоянной нагрузки или механических напряже­ний. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиваться значительная деформация, например, несущей конструкции, а иногда и ее разрушение.

Ползучести в той или иной мере подвержены все твердые тела — как кристаллические, так и аморфные, подвергнутые любому виду нагружения. Ползучесть может реализоваться от криогенных температур до темпера­тур, близких к температурам плавления. Так, в металлах наиболее сильный эффект ползучести наблюдается при температуре, равной 0,4 Т_пл. Посколь­ку деформация и ползучесть увеличиваются с возрастанием температуры, то ее вредные последствия особенно проявляются при повышенных темпе­ратурах. Механизм ползучести: скольжение дислокаций и направленная диффузия.

Усталость — процесс постепенного накопления повреждений под действием циклических напряжений, приводящий к уменьшению срока службы, образованию трещин и разрушению. Предел усталости - наи­большее напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов переменных нагрузок. Част­ным случаем усталости является коррозионная усталость.

Коррозионная усталость — понижение предела выносливости металла или сплава при одновременном воздействии циклических переменных на­пряжений и коррозионной среды.

Выносливость — способность материала сопротивляться усталости. Выносливость определяется при длительном воздействии на материал цик­лических напряжений. Показателем выносливости является предел выносли­вости.

Предел выносливости σ _R — наибольшее значение максимального на­пряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного раз­рушения после произвольно большого или заданного циклов нагружения: Предел выносливости определяют по числу циклов нагружений до полного разрушения материала или изделия.

Предел выносливости определяет долговечность материала. Он зави­сит от состава, структуры и состояния поверхности материала, а также от частоты циклов нагружений, температуры и других физико-химических особенностей окружающей среды.

Живучесть — время существования изделия от момента зарождения первой микроскопической трещины усталости размером 0,5...1,0 мм до окончательного разрушения. Живучесть характеризует надежность мате­риала при циклическом нагружении.

Количественно живучесть изделия в конструкции оценивается коэф­фициентом β = 1 – τ₀ / τ_раз, где τ₀ и τ_раз — продолжительность эксплуатации изделия до появления трещин и до разрушения соответственно, β = 0,1...0,9.

Длительная прочность — способность материала разрушаться не тот­час после приложения нагрузки, а по истечении некоторого времени. Явле­ние длительной прочности позволяет использовать конструкционный ма­териал в течение ограниченного (может быть, очень короткого, но доста­точного для выполнения заданной функции) времени при больших нагрузках, существенно превышающих нагрузки, допустимые при дли­тельной эксплуатации, а также определить время безопасного функциони­рования (ресурса) конструкции. Пределом длительной прочности (ГОСТ 10145—81) является наибольшее напряжение, вызывающее разрушение ма­териала за определенное время при постоянной температуре.

Жаропрочность — способность конструкционных материалов (глав­ным образом, металлических) выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести, длительной прочностью и жаростойкостью.

Истираемость И оценивают потерей первоначальной массы образца, отнесенной к площади поверхности истирания F.

Сохраняемость — свойство материала сохранять обусловленные экс­плуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспор­тирования, установленного технической документацией. Сохраняемость количественно оценивают временем хранения и транспортирования до возникновения несоответствия потребительским требованиям.

Нет материала, хорошего во всех отношениях, да такой материал и не нужен. Если детали работают на износ (например, щёки дробилок, зубья ковшей экскаваторов), то для их изготовления не нужен материал, обладающий высокой упругостью, высокой жаростойкостью, а для рессор и пружин, наоборот, требуется материал с высоким пределом упругости и т.д.

Потребительские свойства нередко находятся в противоречии с технологическими свойствами. Так, например, более прочные мате­риалы менее технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и др. Решение при выборе ма­териала обычно основывается на компромиссе потребительских и технологических требований.