Konstrukční materiál projektant vybírá s ohledem na jeho mechanické, fyzikální, chemické, technologické a provozní vlastnosti. Mechanické vlastnosti jsou určeny schopností materiálu odolávat různým vnějším fyzikálním vlivům. Mezi hlavní mechanické vlastnosti konstrukčních materiálů patří následující vlastnosti:

– pevnost je schopnost materiálu odolávat plastické deformaci a destrukci vlivem vnějšího zatížení;

– plasticita je schopnost materiálu nevratně měnit tvar a velikost bez destrukce při zatížení;

– viskozita je schopnost materiálu při plastické deformaci nevratně absorbovat energii vnějších sil;

– elasticita je schopnost materiálu obnovit svůj tvar a velikost po odstranění zatížení, které způsobilo deformaci;

– tvrdost je schopnost materiálu odolávat pronikání dalšího tvrdšího tělesa do něj;

– křehkost je schopnost materiálu zbortit se vlivem vnějších sil bez viditelné plastické deformace.

Fyzikální vlastnosti zahrnují charakteristiky fyzikálního stavu materiálů a vztah materiálu k různým fyzikálním procesům. Mezi hlavní fyzikální vlastnosti konstrukčních materiálů patří následující vlastnosti:

– hustota – fyzikální veličina určená pro homogenní látku hmotností jejího objemu;

– tepelná vodivost je proces přenosu energie z více zahřátých částí těla do méně zahřátých, prováděný chaoticky se pohybujícími částicemi těla;

– elektrická vodivost je schopnost látky vést elektrický proud;

– bod tání látky je teplota fázového přechodu „pevná fáze → tavenina“. Stanovuje se jak při tavení látky, tak i při krystalizaci taveniny.

Chemické vlastnosti závisí na složení materiálu a jeho atomově-elektronické struktuře. Chemické vlastnosti materiálu se projevují v jeho schopnosti chemické interakce s prostředím, v možnosti vzniku chemických sloučenin a přeměn. Mezi hlavní chemické vlastnosti konstrukčních materiálů patří následující vlastnosti:

– chemická odolnost – schopnost materiálů odolávat destruktivnímu působení kyselin, zásad, solí a plynů rozpuštěných ve vodě, organických rozpouštědel;

– biologická odolnost – schopnost materiálů a výrobků odolávat ničivým účinkům hub a bakterií;

– rozpustnost – schopnost materiálu rozpouštět se ve vodě, oleji, benzínu, terpentýnu a dalších rozpouštědlech;

Technologické vlastnosti jsou vlastnosti materiálu, který má být náchylný k různým způsobům zpracování za tepla a za studena a umožňující získat polotovary a z polotovarů – strojní součásti. Technologické vlastnosti zahrnují následující vlastnosti:

– kujnost je schopnost materiálu deformovat se za tepla nebo za studena a získat požadovaný tvar bez zborcení pod vnějšími vlivy;

– svařitelnost je schopnost materiálů tvořit trvalé spojení (svar) s jinými slitinami a materiály, které má požadovanou úroveň pevnosti a užitných vlastností;

ČTĚTE VÍCE
Při jakém tlaku by se měla čerpací stanice vypnout?

– obrobitelnost je schopnost materiálů oddělovat povrchové vrstvy materiálu ve formě třísek vlivem řezného nástroje;

– sklon k tepelnému zpracování – schopnost materiálů měnit svou strukturu pod vlivem různých vlivů (teplo, tlak, záření a pole různé povahy) se získáním požadovaného souboru vlastností;

– licí vlastnosti – jsou určeny schopností materiálu mít tekutost v roztaveném stavu, mít minimální objemové a lineární smrštění při tuhnutí.

Funkční vlastnosti charakterizují schopnost materiálu pracovat za specifických podmínek. Mezi výkonnostní vlastnosti patří:

– tepelná odolnost je schopnost materiálu odolávat oxidaci v plynném prostředí při vysokých teplotách;

– tepelná odolnost – tyto vlastnosti charakterizují schopnost materiálu zachovat si mechanické vlastnosti při vysokých teplotách;

– odolnost proti opotřebení je schopnost materiálu odolávat destrukci povrchových vrstev během tření;

– odolnost proti korozi – tato vlastnost charakterizuje schopnost materiálů odolávat korozi v různých prostředích;

– odolnost proti chladu – schopnost materiálu zachovat si plastické vlastnosti při teplotách pod nulou;

– antifriction – schopnost materiálu být opotřebován do jiného materiálu.

Tyto vlastnosti se zjišťují speciálními zkouškami v závislosti na provozních podmínkách výrobků.

Výběr materiálů pro díly je důležitou fází, na které do značné míry závisí hmotnost, rozměry, cena a životnost strojů. Pro zlevnění strojů má velký význam náhrada drahých a nedostatkových materiálů, nicméně použití levnějších materiálů může vést ke zvýšení hmotnosti, rozměrů a snížení životnosti strojů.

Otázka výběru materiálu je tedy složitým technicko-ekonomickým problémem, při jehož řešení je nutné zohlednit ekonomické, technologické a provozní úvahy. Spolu s dalšími okolnostmi je třeba při výběru materiálů pro strojní součásti vzít v úvahu takové výrobní problémy, jako je zásobování, skladování a účtování materiálů v podniku, a pokud je to možné, omezit rozsah názvů a značek použitých materiálů.

Podle základní klasifikace jsou všechny konstrukční materiály obvykle rozděleny do následujících typů (obrázek 2.2).

Obrázek 2.2 – Základní klasifikace konstrukčních materiálů

Kovy (z latiny kov – důl, důl) – skupina prvků ve formě jednoduchých látek s charakteristickými kovovými vlastnostmi, jako je vysoká tepelná a elektrická vodivost, vysoká tažnost. Ve strojírenství jsou nejrozšířenější kovové materiály, do této skupiny materiálů patří všechny kovy a jejich slitiny. Mezi nimi lze rozlišit několik skupin, které se navzájem liší vlastnostmi:

ČTĚTE VÍCE
Kdy instalovat podhledy před nebo po tapetování?

– Černé kovy. Jedná se o železo a slitiny na jeho bázi – ocel a litina.

– Neželezné kovy. Do této skupiny patří kovy a jejich slitiny, jako je měď, hliník, titan, nikl atd.

Čisté kovy jsou definovány jako pevné látky skládající se pouze z jedné složky. Čisté kovy se ve strojírenství používají jen zřídka. Nejběžnější použití kovových konstrukčních materiálů je ve formě slitin. Slitiny jsou definovány jako pevné látky vzniklé tavením dvou nebo více kovových složek. Slitiny na bázi železa se obvykle nazývají železné a slitiny na bázi neželezných kovů se nazývají neželezné. Mezi neželeznými slitinami se rozlišují lehké a těžké slitiny. Lehké neželezné slitiny jsou slitiny na bázi hliníku, hořčíku, titanu a berylia, které mají nízkou hustotu. Těžké neželezné slitiny jsou slitiny na bázi mědi a cínu. Takové slitiny mají vysokou hustotu. Na základě jejich bodu tání mohou být neželezné slitiny buď snadné, nebo žáruvzdorné. Nízkotavitelné neželezné slitiny jsou slitiny na bázi zinku, kadmia, cínu, olova a vizmutu. Žáruvzdorné neželezné slitiny jsou slitiny na bázi molybdenu, niobu, zirkonia, wolframu, vanadu atd.

Nekovové materiály nejsou pouze náhradou kovů, ale používají se také jako samostatné materiály. Mezi nimi lze také rozlišit několik skupin:

Plasty jsou materiály na bázi vysokomolekulárních sloučenin (polymerů), obvykle s plnidly. Plastová plniva jsou práškové, krystalické, vláknité plošné, plynné materiály, které určují vlastnosti plastů. Existují plasty s pevným plnivem (polyethyleny, polystyreny, polykarbonáty atd.), stejně jako s plnivem v plynné fázi (pěny, pěnové plasty atd.).

Keramika je materiál na bázi prášků žáruvzdorných sloučenin, jako jsou karbidy, boridy, nitridy a oxidy. Například: TiC, SiC, Si3N4, Al2O3, SiO2, ZrO2. Keramika je lepší než jiné materiály v tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Mezi výhody keramiky patří nízký koeficient tření a odolnost vůči agresivnímu prostředí a vysokým teplotám.

Sklo je materiál sestávající ze 75 % oxidu křemičitého, který lze získat z křemenného písku jeho čištěním od všech druhů nečistot. Sklo obsahuje také oxid vápenatý, díky kterému materiál získává odolnost, a také obvyklý lesk, oxid draselný nebo sodný, které jsou nezbytné pro tavení samotného skla.

Guma je materiál na bázi kaučuku – uhlík-vodíkový polymer s přídavkem síry a dalších prvků. Existují přírodní (brazilská šťáva Hevea) a syntetické (isopren, butadien) kaučuky.

ČTĚTE VÍCE
Kolik stojí rekonstrukce 3pokojového bytu?

Dřevo je komplexní organická tkáň dřevin.

Kompozity se vyrábějí zavedením určitého množství jiného materiálu do základního materiálu za účelem získání speciálních vlastností. Kompozitní materiál se může skládat ze dvou, tří nebo více složek. Hlavní strukturální složka kompozitu se nazývá matrice. Výztužné prvky ve formě nití, vláken nebo vloček z pevnějšího materiálu se nazývají výztužné prvky. Charakteristiky kompozitů na základě materiálu matrice a výztužných prvků naznačují povahu kompozitů. Název kompozitů se obvykle skládá ze dvou částí: první označuje materiál výztužného prvku, druhá materiál matrice (například uhlíkové vlákno – materiál na bázi polymeru vyztužený pevnými uhlíkovými vlákny). Kombinací objemového obsahu složek je možné získat kompozitní materiály s požadovanými vlastnostmi.

Pro optimální výběr materiálů ve strojírenství se používají podrobnější klasifikace [4]. Takže například klasifikace ocelí a slitin se provádí: podle chemického složení; strukturním složením; podle kvality (podle způsobu výroby a obsahu škodlivých nečistot); stupněm dezoxidace a povahou tuhnutí kovu ve formě; jak bylo zamýšleno. Například uhlíkové oceli se podle chemického složení dělí do skupin v závislosti na obsahu uhlíku: nízkouhlíkové oceli – méně než 0,3 % C; střední uhlík – 0,3. 0,7 % C; vysoký obsah uhlíku – více než 0,7 % C. Podle kvality, tedy podle způsobu výroby a obsahu nečistot, se oceli a slitiny dělí do čtyř skupin (tab. 2.1).

Fyzikální vlastnosti materiálu charakterizují jeho strukturu nebo vztah k fyzikálním procesům prostředí.

Fyzikální vlastnosti se dělí na:

1) specifické stavové charakteristiky a strukturní charakteristiky (skutečná hustota, průměrná hustota, objemová hmotnost; celková, otevřená a uzavřená pórovitost);

2) vlastnosti materiálů ve vztahu k působení vody, případně hydrofyzikální vlastnosti (vlhkost, nasákavost a další), jakož i k současnému působení vody a mrazu (mrazuvzdornost);

3) vlastnosti materiálů ve vztahu k působení tepla nebo chladu, tzn. termofyzikální vlastnosti (tepelná vodivost, tepelná kapacita, požární odolnost, požární odolnost a další).

Hmotnost– soubor hmotných částic (atomů, molekul, iontů) obsažených v daném tělese

Skutečná hustota– poměr hmoty k objemu materiálu v absolutně hutném stavu, tj. bez pórů a dutin.

Většina stavebních materiálů má však póry, takže jejich průměrná hustota je vždy menší než skutečná hustota. Pouze u hutných materiálů (ocel, sklo, bitumen a některé další) jsou skutečné a průměrné hustoty prakticky stejné, protože objem jejich vnitřních pórů je velmi malý.

ČTĚTE VÍCE
V jaké vzdálenosti od plotu lze vysadit šeříky?

Průměrná hustota– fyzikální veličina určená poměrem hmotnosti vzorku materiálu k celému objemu, který zaujímá, včetně pórů a dutin v něm přítomných. Průměrná hustota pт(kg/m3, g/cm3) se vypočítá podle vzorce:

kde m je hmotnost materiálu v jeho přirozeném stavu, kg nebo g; V je objem materiálu v přirozeném stavu, m 3 nebo cm 3.

Průměrná hustota není konstantní a mění se v závislosti na poréznosti materiálu

Hodnotu průměrné hustoty ovlivňuje vlhkost materiálu: čím vyšší vlhkost, tím větší průměrná hustota. Pro výpočet jejich pórovitosti, tepelné vodivosti, tepelné kapacity, konstrukční pevnosti (s přihlédnutím k jejich vlastní hmotnosti) a pro výpočet nákladů na dopravu materiálů je třeba znát průměrnou hustotu materiálů.

U sypkých materiálů (cement, písek, drť, štěrk atd.) se stanovuje objemová hmotnost. Objem takových materiálů zahrnuje nejen póry v materiálu samotném, ale také dutiny mezi zrny nebo kusy materiálu.

Pórovitost materiálu nazýváme stupeň vyplnění jeho objemu póry. Pórovitost P doplňuje hustotu až o 1 nebo až 100 % a je určena vzorcem:

Hustota a pórovitost do značné míry určují takové vlastnosti materiálů, jako je nasákavost, propustnost vody, mrazuvzdornost, pevnost, tepelná vodivost atd.

Sypké a sypké materiály (písek, mletá křída, cement, struska) mají kromě pórů také dutiny. Prázdné prostory jsou vzduchem vyplněné prostory mezi částicemi sypkého materiálu.

prázdnota – poměr celkového objemu dutin ve sypkém materiálu k celému objemu obsazenému tímto materiálem.

Absorpce vody– schopnost materiálu absorbovat vodu a zadržovat ji. Je generován buď stupněm naplnění objemu materiálu vodou (absorpce vody objemem Bv) nebo poměrem množství absorbované vody k hmotnosti suchého materiálu (absorpce vody hmotností Bm)

mн – hmotnost vzorku nasyceného vodou, g; mс – hmotnost suchého vzorku, g.

kde Vо – objem vzorku, cm3; ρв – hustota vody (1 g/cm3).

Obsah vlhkosti materiálu je určen obsahem vlhkosti vzhledem k suché hmotnosti materiálu. Vlhkost materiálu závisí jak na vlastnostech materiálu samotného (poréznost, hygroskopičnost), tak na jeho prostředí (vlhkost vzduchu, kontakt s vodou).

Návrat vlhkosti– vlastnost materiálu uvolňovat vlhkost do prostředí

Hodnota prostupu vlhkosti má velký význam pro mnoho materiálů a výrobků, například stěnové panely a tvárnice, vlhké omítkové stěny, které mají obvykle vysokou vlhkost během výstavby budovy a za normálních podmínek vysychají v důsledku přenosu vlhkosti: voda se odpařuje, dokud se nenastaví rovnováha mezi vlhkostí materiálu stěny a vlhkostí okolního vzduchu.

ČTĚTE VÍCE
Jak připojit telefon k televizoru Samsung a sledovat videa?

hygroskopičnost toto je fyzické. Proces absorpce (sorpce) vodní páry ze vzduchu materiálem.

Dřevo a některé tepelně izolační materiály mohou díky své hygroskopičnosti absorbovat velké množství vody, přičemž jejich hmota roste, pevnost klesá a rozměry se mění. V takových případech je nutné použít ochranné nátěry na dřevěné a řadu dalších konstrukcí.

kapilární sání – zvláštní typ absorpce vody, pozorovaný u materiálů s úzkými kapilárami, jimiž vlivem sil povrchového napětí vody dochází ke stoupání k def. Výška při kontaktu materiálu s vodní hladinou

Smrštění (smrštění) nazývá se úbytek objemu a velikosti materiálu při vysychání

Voděodolnost je schopnost materiálu zachovat si v té či oné míře své pevnostní vlastnosti, když je navlhčen.

Vyznačuje se koeficientem měknutí – poměrem pevnosti v tlaku materiálu ve stavu nasyceném vodou k pevnosti v tlaku v suchém stavu K velikost = Rsat / R dry

Vodopropustnost – schopnost materiálu propouštět vodu pod tlakem Voděodolnost – schopnost materiálu nedovolit vodě procházet pod tlakem

Mrazuvzdornost– vlastnost materiálu nasyceného vodou odolávat opakovanému zmrazování a rozmrazování bez známek destrukce a výrazného poklesu pevnosti.

Ke zničení materiálu dochází až po opakovaném střídavém zmrazování a rozmrazování.

Propustnost pro páry a plyny – vlastnost materiálu propouštět pod tlakem vodní páru nebo plyny (vzduch) svou tloušťkou. Všechny porézní materiály v přítomnosti otevřených pórů jsou schopné propouštět páru nebo plyn.

Při použití ve vnějších stěnách a nátěrech budov je třeba vzít v úvahu prodyšnost materiálů a propustnost pro plyny – pokud se používají v konstrukcích speciálních konstrukcí (například plynové nádrže).

Tepelná vodivost– vlastnost materiálu přenášet teplo tloušťkou z jednoho povrchu na druhý

Tepelná kapacita– vlastnost materiálu absorbovat určité množství tepla při zahřátí a uvolnit ho při ochlazení.

Požární odolnost– schopnost materiálu odolávat působení vysokých teplot a vody v podmínkách požáru. Podle stupně požární odolnosti se stavební materiály dělí na ohnivzdorné, pomalu hořící a hořlavé.

ohnivzdornost nazýváme vlastnost materiálu odolávat dlouhodobému vystavení vysokým teplotám bez roztavení nebo deformace. Podle stupně žáruvzdornosti se materiály dělí na žáruvzdorné, žáruvzdorné a tavitelné.