КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Материалы – это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач.

Самым общим признаком классификации материалов является состав атомов и молекул, по которому материалы делятся на простые и сложные. Простые материалы состоят из веществ, образованных атомами одного элемента. Примеры таких материалов (веществ) – графит, алмаз, сера и др. Сложные материалы (вещества) состоят из молекул, образованных атомами разных элементов (сплавы металлов, вода, стекла, пластмассы, древесина и др.).

Сложные по химическому составу материалы делят на неорганические (минеральные) и органические. К органическим относят все сложные материалы на основе соединений углерода, к неорганическим – все остальные. Схема классификации представлена на рис. 2.

 
 

 


Рис. 2 Классификация материалов по составу атомов и молекул

 

Другим общим признаком классификации материалов являются химические связи между атомами и молекулами. Различают металлический, ковалентный, ионный и молекулярный типы связей, которые характерны для материалов (веществ) с разной химической природой (рис. 3).

 
 

 


Рис. 3 Классификация материалов на основе химических связей

 

Широко используемым признаком классификации материалов является их функциональное назначение.

По функциональному назначению материалы делят на две большие группы – основные и вспомогательные. Основные материалы обеспечивают заданные технические характеристики изделий: прочность, мощность, устойчивость конструкции и др. Вспомогательные материалы обеспечивают параметры сооружений и агрегатов в процессе их эксплуатации (материалы для смазки узлов трения, охлаждения, защиты от коррозии, декоративной отделки и обеспечения эстетических параметров и требований дизайна и т. д.). Классификация функций промышленных материалов приведена в табл. 1.

Таблица 1

Классификация функций промышленных материалов

Функции промышленных материалов
Основные Вспомогательные
Обеспечение прочности конструкции, ее надежности и долговечности. Обеспечение физико-химических параметров изделий. Обеспечение технологического воздействия – биологического, лазерного, плазменного, химического и др. Прочие функции по обеспечению технических параметров изделий. Снижение трения. Защита от физического и химического воздействия. Защита от коррозии и эрозии. Защита от биологического воздействия. Повышение эстетических качеств. Прочие функции по улучшению характеристик изделий.

 

По степени однородности различают гомогенные и гетерогенные материалы. Гомогенный материал однороден по свойствам во всех частях образца. Примером однородного материала является чистое вещество с определенным химическим составом (чистый сахар, чистая вода, но не водный раствор сахара). Гетерогенный материал имеет в разных частях образца разные свойства (например, гранит состоит из кварца, слюды и полевого шпата).

Другие классификационные признаки:

1) по сфере использования и назначению (по промышленным секторам, объектам производства и т. п.);

2) по технологичности обработки и сборки (материалы для деформации, литья, резания и пр.);

3) по степени готовности к использованию (сырье, полуфабрикаты и пр.);

4) по уровню эффективности применения (оптовые цены, технологичность, серийность выпуска и пр.);

5) по ресурсопригодности и дефицитности, по возможности замещения другими материалами;

6) по степени безопасности использования;

7) по экологическим параметрам.

Классификация материалов по назначению основана на функциях, которые выполняет материал (обеспечение конструкционной прочности, звукоизоляции, коррозионной стойкости, сохранности продукта (тара, упаковка, защита от излучений и пр.). Многие материалы многофункциональны, однако можно выделить сферы преимущественного использования: машиностроительные материалы, для строительства и т. д.

Разделение материалов по технологичности обработки и сборки учитывает трудоемкость получения деталей, узлов, агрегатов и связано с показателями себестоимости изделия. Материалы могут обрабатываться методами давления, литья и сварки, а также склеиваться. Технические особенности материалов следует учитывать при выборе назначения.

Степень готовности материала к использованию определяется его геометрическими размерами и формой, состоянием поставки. Материалы для придания изделиям товарного вида формы должны подвергаться дополнительной обработке (механической, пропитке, нагреву, дроблению, спеканию и пр.), которая в существенной мере влияет на затраты труда и времени, на расход материала. По степени готовности материалы подразделяют на четыре группы:

- сырье и полуфабрикаты, которые в дальнейшем используются как материалы;

- материалы для получения полуфабрикатов и изделий или используемые в качестве сырья для другого материала;

- полуфабрикат для изготовления готовой продукции;

- готовые изделия, используемые для комплектации более сложной продукции.

Полуфабрикаты требуют дальнейшей обработки, чем отличаются от готовых изделий.

Сырье.Все многообразие материалов, применяемых в современной технике, по химическому составу можно разделить на металлические, неметаллические и композиционные, в составе которых использованы сочетания металлических и неметаллических веществ. Такое деление отражает исторический путь развития техники, обусловленный реализацией запросов по созданию материалов с прогрессивным для данного исторического периода уровнем потребительских свойств, и является основанием для использования в качестве признака классификации.

Подавляющая доля (около 90%) конструкционных материалов создана на основе металлов, остальная (около 10%) имеет в своей основе неметаллические вещества (рис. 4). Металлы составляют большую часть элементов Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева. Среди металлических материалов основную долю составляют черные металлы, к которым относят железо и его сплавы. Сплавы на основе железа широко применяются во всех отраслях техники для изготовления деталей машин и оборудования, а также для производства инструмента, строительных конструкций и бытовых изделий. На долю остальных металлов приходится около 10% общего производства материалов на металлической основе.

 

 
 

 


Рис. 4 Классификация конструкционных материалов

 

Из числа цветных металлов наиболее широко применяются сплавы на основе меди и алюминия. Остальные металлы используются в технике в соответствии со своими специальными свойствами: легкие (магний, титан), тугоплавкие (вольфрам, молибден и др.), легкоплавкие (олово, свинец и др.), радиоактивные (уран, радий и др.), благородные (золото, серебро и др.) металлы.

Из неметаллических материалов находят применение соединения кремния. Силикаты и соединения кремния с другими химическими элементами применяются как конструкционные материалы. Природный силикат слюда используется как электроизолятор, асбест как огнеупор, соединения кремния с углеродом имеют высокую твердость и используются в качестве абразивного материала. Силикаты служат сырьем для производства стекла. Стеклянные волокна являются одним из компонентов стеклопластиков.

Широкое применение находят полимеры на основе углерода – это один из самых распространенных элементов, его общее содержание в земной коре 0,35%.

Разделение материалов по уровню эффективности применения исходит из капитальных и текущих затрат на получение и обработку, технического уровня производства, качества сырья и т. п.

Классификация по ресурсопригодности и дефицитности, по возможности замещения другими материалами учитывает частоту ремонта изделий, конъюнктуру на рынке материалов.

Доступные для использования ресурсы разных металлов не всегда соответствуют их значению для развития современной техники. Лишь некоторые металлы содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий – 8,8%, железо – 4,65%, магний – 2,1%, титан – 0,63%. Содержание других металлов оценивается в значительно меньших долях. Особенно бедна природа благородными металлами.

Природные ресурсы неметаллических материалов имеют больший объем. В составе технической керамики кремний является одним из основных элементов. Земная кора состоит главным образом из кремнезема и солей кремниевой кислоты – силикатов. Содержание кремния в земной коре составляет 26%. Это самый распространенный в природе элемент.

Деление материалов в зависимости от степени безопасности и по экологическим параметрам предусматривает возможность оценки ущерба от негативного воздействия материала на здоровье человека и окружающую среду. Это воздействие может происходить на стадиях технологической обработки, эксплуатации и последующей утилизации.

Могут применяться и другие классификации (более общие или детализированные), построенные на разных критериях.

Создать единую классификацию материалов сложно, пользуются следующими классификаторами:

– Общероссийский классификатор продукции (ОКП);

– Товарная номенклатура внешнеэкономической деятельности (ТН ВЭД) (необходима для осуществления экспортно-импортной деятельности).