Общие свойства промышленных материалов и изделий

Категория:
Промышленные материалы


Общие свойства промышленных материалов и изделий

Применение того или иного материала, срок службы, поведение при транспортировании и хранении зависят от его основных свойств. Основные свойства материалов и изделий — это объективные особенности, присущие им от природы и проявляющиеся при эксплуатации. Они делятся на химические, физические и биологические. Иногда свойства материалов зависят от того, какую из сторон материала они характеризуют. При этом они делятся на функциональные, эстетические, эргономические и гигиенические. Свойства, характеризующие поведение материала при его обработке, называются технологическими.

Многие свойства материалов взаимосвязаны между собой. Изменение одних вызывает изменение других. Так, например, с повышением пористости материала увеличивается водопоглощение и уменьшается прочность его.

Химические свойства характеризуют отношение материала к действию различных сред. Они зависят от состава и строения материала и влияют на условия применения материалов и срок их службы. К ним относятся: водостойкость, кислотостойкость, щелочестойкость, стойкость к светопогоде и др.

Водостойкость характеризует отношение материала к действию влаги при различных температурах и давлении. Она имеет значение как для определения условий эксплуатации, так и условий и сроков хранения и транспортирования. Водостойкими материалами являются природные и искусственные каменные материалы (за исключением гипсовых). Для одних материалов малая водостойкость является положительным свойством (моющие вещества), для других — отрицательным (пленочные покрытия). Для повышения водостойкости некоторые материалы покрывают специальными пленками.

Кислотостойкость характеризует реакцию материалов на действие кислот. Показатель кислотостойкости имеет важное значение при оценке качества материалов и изделий, подвергающихся в процессе производства и эксплуатации действию органических и минеральных кислот. Например, котлы для варки целлюлозы необходимо покрывать внутри кислотоупорными плитками.

Щелочестойкость, так же как и кислотостойкость, имеет значение при выборе и оценке качества многих материалов.

Стойкость материалов к действию светопогоды имеет важное значение для материалов, применяемых на открытом воздухе и подвергающихся атмосферным осадкам и солнечной инсаляции.

Химические свойства необходимо учитывать при изготовлении изделий санитарно-технического назначения, материалов для полов, кровельных и др. Химически стойки вещества, содержащие в своем составе кремнезем (керамика, стекло), а также некоторые виды пластических масс. Большинство металлических материалов подвергается коррозии и разрушается. Для защиты от коррозии их покрывают химически стойкими веществами или вводят в их состав специальные (легирующие) добавки. Химическую стойкость материалов определяют в лабораториях на специальных образцах.

физические свойства представляют наиболее обширную группу свойств и показателей, имеющих важное значение для большинства материалов и изделий, применяемых в промышленности и строительстве. К ним относятся: масса, механические, термические, оптические, электрические свойства, а также свойства, характеризующие водо-, воздухо- и паропроницаемость материалов и изделий. Для большинства материалов и изделий показатели физических свойств регламентируются ГОСТами и техническими условиями и широко используются при оценке их качества.

Масса материалов и изделий позволяет судить о природе материала, пористости, водопоглощении, теплопроводности и прочности. Показатели массы учитывают при упаковке, транспортировании и хранении материалов. Важнейшими из них являются плотность, объемная масса, масса изделия и масса 1 м2.

Плотность есть масса единицы объема. Она зависит от природы материала, наличия в нем примесей и пустот. Вычисляется она по формуле p = m/v, где р — плотность тела, г/см3; m — масса тела, г; v — объем тела, см3.

Объемная масса (ро) — это масса единицы объема материала пористых тел. Вычисляется она по той же формуле, что и плотность. Объемная масса пористых материалов зависит от их влажности. Для сыпучих материалов объемная масса называется насыпной. Насыпной массой пользуются при дозировке и отпуске сыпучих материалов, определении загрузки транспорта, заполнении хранилищ. Объемная масса пористых тел всегда меньше их плотности. Для непористых материалов они равны между собой. По соотношению плотности и объемной массы определяют пористость материала по формуле: П=(1—p0)/p-100, где П — пористость, %’ ро — объемная масса, г/см3.

От пористости материала зависят его прочность, водопоглоще-ние> морозостойкость, теплопроводность и другие свойства. Материалы, имеющие высокую пористость, характеризуются малой прочностью и теплопроводностью. Они имеют большое водопогло-щение и низкую морозостойкость.

Важное значение имеют размер и форма пор. Поры бывают сквозные, замкнутые, полузамкнутые и поверхностные (рис. 1). Если в материале больше замкнутых пор, то теплопроводность и водопоглощение его ниже, и наоборот. Для’конструкций, которые не должны пропускать воду и быть прочными, надо брать материал с малой пористостью.

Масса некоторых изделий (молотки и др.) является строго нормируемым показателем. Она, как и другие показатели, определяется с учетом относительной влажности воздуха, температуры и влажности самого материала.

Рис.1. Виды пор: 1 — сквозные; 2 — поверхностные; 3 — замкнутые; 4 — полузамкнутые

Масса 1 м2 — масса материала, отнесенная к 1 м2; применяется она для характеристики рулонных и листовых материалов: тканей, кожи, бумаги, картона, обоев. По этому показателю, например, отличают картон от бумаги. Продукция с массой 1 м2 до 250 г относится к бумаге, а больше — к картону. Для некоторых неметаллических материалов иногда нормируется масса одного метра.

Масса 1 м2 материала определяется при постоянной относительной влажности воздуха и температуре.

Механические свойства имеют важное значение при оценке качества материалов, подвергающихся в процессе эксплуатации сжатию, растяжению, изгибу, кручению, удару и другим воздействиям. К ним относятся также сопротивление истиранию и твердость. От механических свойств материалов и изделий зависят их надежность и назначение. Они широко используются для характеристики металлов, каменных, стеклянных, древесных и других материалов. Основными показателями механических свойств являются прочность (предел прочности), хрупкость, модуль упругости, разрывная длина и твердость.

Прочность — способность материала сопротивляться действию нагрузок без разрушения. Показателем ее является предел прочности, представляющий собой отношение разрушающей нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения образца, aB = F/S, где F — нагрузка, Н; S — площадь, м2, ств — предел прочности, МПа.

Предел прочности различают при сжатии, изгибе, растяжении, кручении и т. д. В зависимости от предела прочности при сжатии или изгибе некоторые материалы (камень, кирпич, бетон, цемент и др.) подразделяются на марки. Под маркой в этом случае понимается предел прочности при сжатии, выраженный в МПа.

Хрупкость материала характеризует его способность сопротивляться ударам. По этому показателю многие материалы делятся на хрупкие и пластичные. Хрупкие материалы слабо сопротивляются ударам, растяжению и изгибу, но хорошо сопротивляются сжатию. К ним относятся стекло, керамика и другие природные (каменные) материалы. Пластичные материалы легко изменяют свою форму, но не разрушаются. Сталь, древесина и другие волокнистые материалы хорошо сопротивляются растяжению и изгибу.

Модуль упругости характеризует способность материала к деформации и равен отношению напряжения к упругой деформации. Он характеризует эластичность материала. Этот показатель широко применяется для характеристики металлических материалов.

Разрывная длина — это минимальная длина при которой материал разрушается под действием собственной массы. Этот показатель является комплексным и учитывается при оценке качества тканей, канатов, тросов, проволоки и других материалов. Разрывная длина (км) зависит от прочности на растяжение и плотности материала и вычисляется по формуле L=aB/p.

Разрывная длина материалов не одинакова: алюминия — 4— 6 км, меди — 2—5, стали — 5—20, капрона — 60—65 км.

Сопротивление истиранию (истираемость) характеризует способность материала сопротивляться истирающим воздействиям. Истираемость материала зависит от его твердости и плотности. Чем выше твердость и плотность материала, тем выше, как правило, его сопротивление истиранию, тем более длителен срок его службы без дополнительных затрат и труда. Этот показатель имеет важное значение при выборе материала для пола (для паркета, линолеума, плиток и др.). Истираемость определяется потерей массы материала (г) на единицу площади.

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Она зависит от состава и строения материала и оказывает заметное влияние на его истираемость. Более твердые материалы имеют более высокое сопротивление истиранию.

От твердости зависит область применения материалов, поведение их в процессе эксплуатации и сохранение внешнего вида. Практическое значение она имеет для оценки качества металлов, пластических масс, керамики, древесины и других материалов.

Для определения твердости материалов существует несколько методов: царапание, вдавливание, отскакивание бойка, затухание колебаний маятника и прокол стандартной иглой. Все они основаны на внедрении в испытуемый образец минерала, шарика, пирамиды, пуансона под определенным давлением. Чем меньше усилие и больше глубина проникновения в образец, тем ниже твердость материала- Наиболее простым и широко применяемым методом определения твердости каменных материалов является метод царапания минералами, которым присвоена соответствующая единица твердости от 1 до 10 (тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз), а для определения твердости металлов — метод вдавливания.

Термические свойства характеризуют поведение материала при действии на него тепловой энергии. Основными из них являются: теплоемкость, теплопроводность, термическое расширение, термическая стойкость, огнестойкость, изменение агрегатного состояния. Термические свойства имеют практическое значение при оценке качества материалов, подвергающихся в процессе эксплуатации нагреванию и охлаждению.

Теплоемкость характеризует количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела на 1 °С в определенном интервале температур. По величине теплоемкости материала судят о затратах тепловой энергии при его нагревании. Выражается теплоемкость в в Дж/град.

Теплопроводность — это способность материала проводить теплоту при разности температур между отдельными участками тела. Теплопроводность материала зависит от его химического состава, структуры (строения), пористости, температуры и влажности. Наименьшую теплопроводность имеют материалы с высокой пористостью и малой влажностью. С повышением количества замкнутых пор в материале теплопроводность уменьшается. Плотные материалы имеют большую теплопроводность. Металлы хорошо проводят теплоту, древесина — плохо. При увлажнении материала теплопроводность возрастает, так как теплопроводность воды в 24 раза выше, чем воздуха. Теплопроводность имеет практическое значение при выборе материалов для стен, перекрытий, теплоизоляции полов, холодильников и трубопроводов. Показателем теплопроводности является коэффициент теплопроводности, выражаемый в Вт/(м • К).

Термическое расширение характеризует способность материала изменять свои размеры при повышении температуры. Оно имеет важное значение при оценке качества фарфоро-фаянсовых, стеклянных, огнеупорных и других материалов, подвергающихся при эксплуатации нагреванию и охлаждению. Если материал будет сильно изменять свои размеры при колебаниях температуры, то может произойти его разрушение. Термическое расширение зависит от природы материала и наличия примесей. Большим расширением обладают силикатные материалы, поэтому стекло при резком нагревании и охлаждении разрушается. Показателем термического расширения является температурный коэффициент, который бывает объемным и линейным. Объемный коэффициент термического расширения показывает отношение увеличения объема материала при нагревании на 1°С к первоначальному объему, а линейный коэффициент термического расширения характеризует отношение увеличения длины материала при нагревании к первоначальной длине. Коэффициент термического расширения оказывает отрицательное влияние на термическую стойкость.

Термическая стойкость — это способность материала сохранять свои свойства при резких колебаниях температуры. Она имеет важное значение при оценке качества огнеупорных материалов, стекла и керамики, оказывает большое влияние на их долговечность. Термическая стойкость зависит от химического состава, степени однородности, прочности, модуля упругости, термического расширения и теплопроводности материала. Кроме этого, на нее оказывает влияние пористость, форма и толщина стенок изделия.

Термическая стойкость материала тем выше, чем больше прочность и теплопроводность и чем меньше термическое расширение и модуль упругости. Показателем термической стойкости является количество теплосмен, которое выдерживает материал без разрушения. Теплосменой считается один цикл нагрева материала до определенной температуры и охлаждения. Малую термическую стойкость имеют силикатные материалы, что следует учитывать при их использовании.

Огнестойкость характеризует способность материала сопротивляться действию огня. Все материалы по огнестойкости делятся на несгораемые, трудносгора,емые и легкосгораемые. К несгораемым относятся материалы, которые не горят и не тлеют в огне (кирпич, сталь и др.); к сгораемым — которые легко горят в огне и после вынесения из пламени (древесина, бумага и др.); материалы которые при действии огня с трудом загораются, а при вынесении из огня гаснут, относятся к трудносгораемым. Огнестойкость является важным показателем качества стеновых, кровельные и других материалов.

Изменение агрегатного состояния вещества имеет значение для распознавания природы веществ (например, горючих и смазочных материалов). \

Основными показателями изменения агрегатного состояния ве^ щества являются температуры плавления, кипения, размягчения, обугливания, полимеризации и др., которые для конкретного вещества и материала являются строго определенными.

Оптические свойства характеризуют особенности зри: тельного восприятия материалов или изделий. Основными из них являются цвет, блеск, светопропускание и др. Они являются важными для характеристики стекла и изделий на его основе. Например, для оконного стекла светопропускание должно быть не менее 84%’-

Электрические свойства характеризуют отношение материалов к пропусканию электрического тока. Основными показателями этих свойств являются электропроводность, электрическое сопротивление и др. Под электропроводностью понимается способность материала проводить электрический ток. Электропроводность (Ом/м) зависит от удельного электрического сопротивления. Чем меньше удельное электрическое сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток. По этому показателю все материалы подразделяются на проводники, полупроводники и изоляторы.

Проводники имеют малое электрическое сопротивление и высокую электропроводность. К ним относятся серебро, медь и ее сплавы, алюминий, сталь и др.

Изоляторы имеют высокое удельное электрическое сопротивление и низкую электропроводность. Хорошими изоляторами являются резина, фарфор, стекло, пластические массы, асбест и др.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники, которые в обычных условиях слабо проводят электрический ток. К ним относятся: Si, Se, As, Cu20 и другие вещества. Они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, например для преобразования одного вида энергии в другой, регулирования силы тока и напряжения и т. д.

Электрические свойства используют для оценки качества и назначения шнуров, проводов, кабелей, электроустановочных и других изделий, применяемых для линий связи и внутренней проводки.

Свойства, характеризующие проницаемость материалов и изделий. Это свойства, проявление которых наряду с физическими явлениями, сопровождается и химическими процессами. К ним относятся водо-, паро-, воздухо- и пылепрони-цаемость, влажность и др.

Знание этих свойств и их показателей необходимо для правильного назначения, условий эксплуатации и оценки качества кровельных, гидроизоляционных и других материалов и изделий.

Водопроницаемость характеризует способность материала или изделия пропускать воду при определенном давлении. Зависит она от природы материала и наличия в нем сообщающихся и сквозных пор. Чем их больше, тем больше воды пропускает материал.

Характеризуется водопроницаемость количеством воды (мл), которое пропускает материал в единицу времени (ч) через площадь 1 см2 и выражается в мл/(см2-ч).

Практическое значение водопроницаемость имеет при оценке качества брезентов, палаточной ткани, кожи, пленок, кровельных и других материалов. Для снижения водопроницаемости материалов и изделий их обрабатывают водоотталкивающими веществами или пропитывают специальными составами.

Паропроницаемость характеризует способность материала пропускать пар из среды с меньшей в среду с большей влажностью. Паропроницаемость имеет важное значение при оценке качества тканей, кожи, одежды, обуви и других материалов и изделий из них. Выражается она количеством пара (мг), которое проходит в единицу времени (ч) через материал площадью в 1 см2. Она зависит от природы и пористости материала. Материалы с высокой пористостью имеют, как правило, и высокую паропроницаемость.

Воздухопроницаемость — это способность материала пропускать воздух при различном давлении по обе стороны. Она характеризуется количеством воздуха (мл), прошедшего в единицу времени (с) через материал площадью в 1 см2 при определенном давлении, и выражается в мл/(см2/с). Воздухопроницаемость зависит от величины и характера пор и влажности материала. С увеличением крупных, сообщающихся пор воздухопроницаемость повышается, а при увлажнении понижается. Большое значение она имеет для парашютных тканей.

Пылепроницаемость характеризует способность материала пропускать частицы пыли. Она зависит от природы и пористости материала, а также от природы пыли, размера частиц и их количества. Материалы с мелкими извилистыми порами обладают меньшей пылепроницаемостью. Она зависит также от характера поверхности материала. Так, например, шерстяные, ткани благодаря чешуйчатой поверхности обладают большей пылеемкостью по сравнению с льняными. Пылепроницаемость материала определяется по привесу образца (г), через который пропускали пыль. Она имеет важное значение при выборе фильтрующих материалов.

При оценке водо-, воздухо-, пыле- и паропроницаемости материалов и изделий необходимо иметь в виду их влажность и водо-поглощение.

Влажность характеризуется количеством воды, содержащейся в материале, и выражается в процентах. Определяют его по разности в весе образца материала влажного и высушенного до постоянного веса. Влажность материала зависит от его пористости.

Ее необходимо учитывать при транспортировании, хранении и приемке материалов по весу. От влажности материала зависит его теплопроводность и устойчивость к гниению.

Водопоглощение характеризует способность материалов и изделий впитывать и удерживать воду. Оно характеризует степень заполнения объема пор водой и выражается в процентах. Водопоглощение может быть весовым и объемным. Объемное водопоглощение равно объему пор в материале, доступных для воды.

Водопоглощение материала зависит от количества и характера пор. С повышением пористости водопоглощение возрастает. Оно выше при открытых и ниже при замкнутых или полузамкнутых порах. Водопоглощение разных материалов не одинаково. Так, например, глиняный кирпич имеет водопоглощение не менее 8%, керамические плитки для полов — не более 4%, гранит — 0,5%, фарфор — не более 0,2%.

По водопоглощению можно судить о прочности и морозостойкости материала. Материалы с повышенным водопоглощением! имеют, как правило, пониженную морозостойкость и прочность. Водопоглощение имеет важное значение при оценке качества керамических материалов. Для ряда из них показатель водопоглощения нормируется ГОСТами.

Водостойкость — способность материала не изменять свою прочность при насыщении водой. Показателем водостойкости является коэффициент размягчения, который представляет собой отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности его в сухом состоянии. Материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 являются водостойкими. Водостойкими являются и каменные материалы. Водостойкость имеет важное значение при оценке несущих конструкций, стен и перекрытий, а также других материалов, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях.

Морозостойкость характеризует способность материала, насыщенного водой, сохранять свои свойства без признаков разрушения при попеременном замораживании и оттаивании.

Она имеет важное значение для оценки качества материалов (кирпич, камень, бетон и др.), применяемых для наружных конструкций гидротехнических и других сооружений. Эти материалы при попеременном увлажнении, замерзании и оттаивании в осенне-зимнее время постепенно разрушаются, так как вода, находящаяся в порах материала, замерзает с увеличением в объеме на 9—10%.

Морозостойкость зависит от величины и характера пор, а также от прочности. Материалы плотные, с замкнутыми порами, более морозостойки, чем пористые материалы. Морозостойкость характеризуется количеством циклов попеременного замораживания в течение пяти часов при —15°С и оттаивания также в течение пяти часов при +15°С без появления признаков разрушения и понижения прочности. К материалам, различным по назначению, предъявляются и различные требования по морозостойкости (от 10 до 200 циклов). Кирпич, например, по морозостойкости выпускается четырех марок: Мр315, 25, 35, 50. Определяют морозостойкость в специальных камерах. Два цикла замораживания и оттаивания равнозначны разрушениям, которые испытывает материал- в условиях эксплуатации в течение одного года.

Биологические свойства характеризуют устойчивость материалов и изделий к действию различных микроорганизмов: плесеней, бактерий и грибков. Материалы органического происхождения под влиянием микроорганизмов разрушаются (древесина, бумага, ткани, некоторые виды пластических масс). Это может происходить при заготовке, производстве, транспортировании, хранении и эксплуатации материалов. Изменения сопровождаются снижением прочности, ухудшением внешнего вида и другими признаками. Неорганические материалы к воздействию микроорганизмов стойки, разрушению практически не подвергаются или подвергаются в малой степени. Степень разрушения материалов во многом зависит от влажности, температуры и значения рН среды. С повышением влажности и температуры гнилостные процессы ускоряются.

Для повышения биостойкости некоторые материалы и изделия обрабатывают специальными антисептическими средствами в виде легкорастворимых и нерастворимых в воде веществ. В качестве легкорастворимых антисептиков используют фтористый натрий, кремнефтористый натрий и др. Из нерастворимых применяют антраценовое, креозотовое и другие масла. Применяют также и порошкообразные вещества (нафталин и др.).

Антисептики должны обладать высокой токсичностью к различным микроорганизмам в течение длительного времени, быть дешевыми и простыми в применении. Они не должны оказывать вредного влияния на материал и человека.

Биологические свойства материалов необходимо учитывать при определении видов упаковки, условий транспортирования и хранения, а также условий их использования, что позволит удлинить срок службы материалов, а следовательно, сберечь средства и труд, затраченные на их производство.

Потребительные свойства. При оценке качества материалов и изделий кроме природных, химических, физических и биологических свойств различают так называемые потребительные свойства. Эти свойства в зависимости от того, какую из сторон они удовлетворяют в процессе эксплуатации, делят , на функциональные, гигиенические, эргономические, эстетические и экономические.

Функциональные свойства характеризуют соответствие материала своему назначению. Номенклатура их зависит от назначения материала.

Гигиенические свойства определяют возможность использования материала с учетом обеспечения нормальных условий жизнедеятельности и работоспособности человека.

Эргономические свойства выявляют оптимальные условия эксплуатации материалов и изделий для высокопроизводительного труда при минимальной утомляемости и затрате энергии человека.

Эстетические свойства подчеркивают особенности материалов и изделий, воспринимаемые зрительными ощущениями. Эстетические свойстве материала должны соответствовать функциональным, гигиеническим и эргономическим свойствам. Форма и внешнее оформление материалов и изделий должны органически соответствовать их назначению.

Экономические свойства обусловливают затраты на приобретение и эксплуатацию материалов и “изделий при получении наибольшего экономического эффекта. Эти затраты зависят от качества изготовления с учетом стандартизованных и унифицированных деталей, безотказности и ремонтопригодности изделий. С увеличением безотказности и ремонтопригодности расходы сокращаются, а экономическая эффективность повышается.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум