Материал: определение и классификация¶

Материал — это вещество или совокупность веществ, предназначенные для изготовления продукции, construction, эксплуатации изделий или выполнения иных технических и бытовых функций. В широком смысле материалом называют любой объект, обладающий массой и протяжённостью, однако в технике и промышленности под этим термином понимают исходный предмет труда, который преобразуется в готовое изделие. Материалы составляют основу материального производства и определяют уровень развития цивилизации: исторические эпохи (каменный, бронзовый, железный века) названы по доминирующему материалу.

¶Классификация материалов

Единой универсальной классификации не существует, так как материалы классифицируют по десяткам признаков в зависимости от отрасли применения.

¶По происхождению и химической природе

• Природные — существующие в готовом виде: древесина, камень, глина, шерсть, хлопок, натуральный каучук.
• Синтетические — созданные человеком из простых веществ: пластмассы, синтетические волокна, искусственный каучук.
• Искусственные — полученные переработкой природного сырья с глубоким изменением свойств: стекло, цемент, бумага, чугун.

¶По химическому составу

• Неорганические: металлы и сплавы (чёрные, цветные, благородные), керамика (оксидная, карбидная, нитридная), стекло, минеральные вяжущие (цемент, гипс).
• Органические: полимеры (термопласты, реактопласты), каучуки, природные органические вещества.
• Композиционные — сочетающие компоненты разной природы: стеклопластики, углепластики, бетон с фиброй, металлокерамика.

¶По функциональному назначению

• Конструкционные — несущие механические нагрузки (сталь, бетон, алюминиевые сплавы).
• Инструментальные — для режущего и измерительного инструмента (быстрорежущая сталь, твёрдые сплавы, алмаз).
• Электротехнические — проводники (медь, алюминий), полупроводники (кремний, германий), диэлектрики (полиэтилен, слюда).
• Теплоизоляционные (минеральная вата, пенополистирол) и звукоизоляционные.
• Абразивные — для обработки поверхностей (карбид кремния, электрокорунд).
• Конструкционные специальные — жаропрочные, коррозионностойкие, радиационностойкие.

¶Свойства материалов

Свойства делят на физические, механические, химические и технологические.

Механические характеризуют реакцию на нагрузки: прочность (сопротивление разрушению), твёрдость (сопротивление вдавливанию), упругость, пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность.

Физические — плотность, теплопроводность, электропроводность, коэффициент теплового расширения, температура плавления, магнитные и оптические характеристики.

Химические — стойкость к агрессивным средам, окисляемость, коррозионная стойкость, горючесть, токсичность.

Технологические определяют пригодность к переработке: ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка.

Ключевым показателем конструкционных материалов является удельная прочность — отношение прочности к плотности. По этому критерию лидируют углепластики и титановые сплавы, что делает их незаменимыми в авиации.

¶Основные группы материалов

¶Металлы и сплавы

Составляют основу машиностроения. Чёрные металлы (сталь, чугун) — сплавы железа с углеродом. Сталь содержит до 2,14 % углерода, чугун — более 2,14 %. Легирующие добавки (хром, никель, молибден, ванадий) придают специальные свойства: нержавеющие стали содержат не менее 12 % хрома. Цветные металлы — алюминий, медь, титан, магний, никель и их сплавы. Алюминиевые сплавы (дюралюмины) втрое легче стали при сопоставимой прочности.

¶Полимеры и пластмассы

Высокомолекулярные соединения. Термопласты (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол) обратимо плавятся при нагреве. Реактопласты (фенолформальдегидные, эпоксидные смолы) при отверждении образуют неплавкие сетчатые структуры. Эластомеры — каучуки — способны к большим обратимым деформациям. Полимеры отличаются низкой плотностью, химической стойкостью, диэлектрическими свойствами, но ограниченной теплостойкостью.

¶Керамика и стекло

Керамика — неметаллические неорганические материалы, получаемые спеканием порошков. Техническая керамика (оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния) обладает высокой твёрдостью, теплостойкостью до 1500–2000 °C, химической инертностью, но хрупка. Стекло — аморфный материал на основе оксида кремния; разновидности: кварцевое, силикатное, боросиликатное, оптическое.

¶Композиционные материалы

Состоят из матрицы (связующего) и армирующего наполнителя. Матрица (полимерная, металлическая, керамическая) обеспечивает монолитность и распределение нагрузки, наполнитель (волокна, частицы) воспринимает основные напряжения. Углепластики (углеродное волокно в эпоксидной матрице) имеют удельную прочность в 3–5 раз выше стали. Стеклопластики дешевле и широко применяются в судостроении и строительстве.

¶Древесина и природные материалы

Древесина — анизотропный материал с высокой удельной прочностью вдоль волокон, лёгкостью обработки, возобновляемостью. Недостатки — горючесть, гигроскопичность, подверженность биопоражению. Природный камень (гранит, мрамор, известняк) используется в строительстве как облицовочный и стеновой материал.

¶Методы исследования и испытаний

Качество материалов оценивают стандартизированными методами. Механические испытания проводят на разрывных машинах (определение предела прочности, относительного удлинения), твёрдость измеряют по Бринеллю, Роквеллу или Виккерсу. Структуру изучают методами металлографии (оптическая и электронная микроскопия), рентгеноструктурного анализа. Химический состав определяют спектральным и химическим анализом. Неразрушающий контроль (ультразвуковой, радиографический, вихретоковый) применяют для проверки готовых изделий.

¶Применение и значение

Материаловедение — междисциплинарная область на стыке физики, химии и инженерии. Выбор материала определяет работоспособность, долговечность, стоимость и массу изделия. Современные технологии — аэрокосмическая, электронная, ядерная, медицинская — невозможны без специальных материалов: жаропрочных никелевых сплавов для турбин, сверхчистого кремния для микрочипов, биосовместимого титана для имплантатов.

Развитие материаловедения идёт по пути создания материалов с заданными свойствами: наноматериалы (графен, углеродные нанотрубки), функциональные материалы с памятью формы, «умные» материалы, реагирующие на внешние воздействия, аддитивные технологии (3D-печать) металлами и полимерами. Вторичная переработка материалов становится обязательным требованием экономики замкнутого цикла.

¶Интересные факты

• Чистое железо в 2,5 раза мягче бронзы; прочность стали достигается легированием и термической обработкой.
• Графен — материал толщиной в один атом углерода — примерно в 200 раз прочнее стали.
• Первый полностью синтетический пластик — бакелит — получен в 1907 году.
• Титан не корродирует в морской воде и биологически инертен, поэтому применяется для костных имплантатов.
• Стеклоуглерод сочетает свойства стекла и графита и выдерживает нагрев до 3000 °C в инертной среде.

Источники: «Материаловедение» (учебник под ред. Б. Н. Арзамасова), «Физическое материаловедение» (Г. И. Эпштейн), ГОСТ 25146-82 «Материалы. Термины и определения», данные Международной организации по стандартизации (ISO).