Materiałami konstrukcyjnymi nazywane są materiały inżynierskie wykorzystywane przy budowie urządzeń i maszyn. Zaliczamy do nich metale a także ich stopy, ceramikę, kompozyty, polimery.
Metale to materiały w stanie stałym charakteryzujące się takimi właściwościami jak:
- połysk,
- dobre przewodzenie elektryczności i ciepła,
- plastyczność,
Te właściwości wynikają z metalicznego wiązania występującego między atomami tworzącymi metal oraz z krystalicznej budowy. Metale dzielimy na dwie grupy: nieżelazne - kolorowe i żelazne.
Polimery nazywane są również tworzywami wielkocząsteczkowymi. Wyróżniamy polimery sztuczne i naturalne. Sztuczne powstają poprzez łączenie najczęściej wiązaniami kowalencyjnymi dużej ilości identycznych i niewielkich zgrupowań atomów, nazywanych monomerami. Polimery naturalne nazywane są biopolimerami i otrzymuje się je w wyniku obróbki i częściowej modyfikacji naturalnych surowców.
Ceramiką nazywamy nieorganiczne związki metalu z tlenem, węglem, borem, azotem oraz innymi pierwiastkami. W cząsteczkach atomy połączone są jonowym i kowalencyjnym wiązaniem. Po zaformowaniu ceramiczne materiały są wygrzewane w dużych temperaturach.
Kompozytami nazywamy połączenia dwóch lub więcej nie rozpuszczających się jedna w drugiej i odrębnych faz. Każda z tych faz odpowiada innemu podstawowemu elementowi inżynierskiemu zapewniającemu lepsza wydajność i cechy strukturalne, od właściwych każdemu ze składowych materiałów oddzielnie. Kompozyty stosuje się między innymi w samolotach, sprzęcie kosmicznym, jachtach, łodziach samochodach.
Zaprojektowana i wykonana konstrukcja powinna spełniać wymagania eksploatacyjne, ekonomiczne oraz technologiczne.
Wymagania eksploatacyjne traktują o przystosowaniu konstrukcji do bezawaryjnej realizacji ustalonych zadań, wytrzymałości mechanicznej i odporności na zużycie, odporności na działanie korozyjne środowiska, zabezpieczeniu przed przeciążeniem itp. Wymagania ekonomiczne określają rentowność osiąganą dzięki małym kosztom wytwarzania przy jednocześnie wysokiej wydajności maszyny i niedużemu zużyciu surowca. Wymagania technologiczne sprowadzają się do warunków dotyczących prostoty technologicznych procesów, łatwego montaż i demontaż, a także możliwości dokonywania napraw maszyn prostymi sposobami.
W tych trzech grupach wymagań można zauważyć warunki,
bezpośrednio odnoszące się do surowca, z którego powstanie urządzenie.
Konstruktor jest odpowiedzialny za prawidłowe zaplanowanie projektu, toteż powinien zrealizować pełną analizę materiałów, uwzględniając ich własności technologiczne, mechaniczne, cieplne, plastyczne, elektryczne, chemiczne oraz magnetyczne.
Właściwości mechaniczne są cechami związanymi z odpornością materiału na działanie różnych sił zewnętrznych i są kryterialnymi wielkościami przy doborze materiałów. Zapoznanie się z własnościami materiałów nie wystarczy do oceny ich użyteczności do jakiegoś celu. Konieczne jest tu jeszcze zapoznanie się z wpływem różnych czynników (czasu, temperatury, wielkości i sposobu obciążenia, wymiarów i kształtu przedmiotu) na zmiany tych właściwości.
Wyróżniamy dwie grupy metod badań właściwości mechanicznych:
a) własności technologiczne - decydują o przydatności materiałów w określonej obróbce,
b) własności wytrzymałościowe - do ich wyznaczania jest niezbędna znajomość siły albo momentu sił - jednych z wielkości mierzonych w trakcie badania. Wyniki tych badań wykorzystywane są przez konstruktorów podczas procesu projektowania konstrukcyjnych elementów.
Właściwości technologiczne:
Charakterystyczne cechy materiału opisujące jego zachowanie się podczas procesów produkcyjnych. Aby zbadać własności technologiczne określonego materiału trzeba przeprowadzić tylko te badania, których wyniki informować będą o możliwościach realizacji spodziewanej obróbki (np. materiały używane do odlewów poddaje się próbom lejności, obrabiane plastycznie - badaniu własności plastycznych, natomiast obrabiane przez skrawanie poddaje się próbie skrawalności).
Właściwości odlewnicze. Podstawowymi właściwościami charakteryzującymi przydatność stopu lub metalu do celów odlewniczych są: lejność - zdolność do wypełnienia form, później skurcz metalu w czasie zastygania , a także jednolitość składu chemicznego w całkowitej masie danego odlewu.
Lejność jest zależna od płynności metalu w temperaturze zalewania danej formy oraz decyduje o łatwości wypełnienia formy, jak również ma wpływ na makrostrukturę tego odlewu.
Stopy i metale charakteryzujące się gęstopłynnością podczas odlewania dają często odlew porowaty, gdyż ulatniające się gazy, które nie mogą znaleźć ujścia, są powodem tworzenia w nich pęcherzy.
Miara lejności to odległość, jaką przepłynie ciekły metal w standardowej formie poziomo ustawionej, mającej kształt spirali lub pręta.
Skurcz metalu w trakcie odlewania wpływa na tworzenie się w stworzonym przedmiocie naprężeń, które mogą być przyczyną odkształcenia lub pęknięcia. Z tego też powodu należy stosować w odlewnictwie stopy wykazujące niewielkie zmiany objętości w czasie chłodzenia i krzepnięcia.
Jednorodność składu wywiera również duży wpływ na właściwości odlewu. W wyniku tego do celów odlewniczych najlepsze są stopy o niewielkiej różnicy temperatury między początkiem i końcem krzepnięcia, gdyż wtedy segregacja składników jest niezbyt duża.
Skrawalnością nazywamy podatność materiału na obróbkę skrawaniem. Najlepsza skrawalność występuje najczęściej w materiałach, odznaczających się gorszymi własnościami mechanicznymi. Metal wykazujący dobrą skrawalność ma małą wytrzymałość na rozciąganie i charakteryzuje się kruchością, spowodowaną zawartością fosforu i siarki w metalu. Skrawalność materiału charakteryzują takie czynniki jak: opór skrawania, trwałość ostrza, gładkość obrabianej powierzchni, a także postać wiór. Głównym kryterium skrawalności jest trwałość ostrza skrawającego narzędzia określona jako funkcja prędkości skrawania przy ustalonych parametrach skrawania.
Ścieralnością nazywamy cechę podobną jak skrawalność, która określa podatność materiału na zużywanie się wskutek ślizgowego tarcia. Miara ścieralności to zmniejszenie masy danej próbki, które spowodowane jest przez tarcie twardej tarczy o dany materiał.
Właściwości plastyczne. Ocena plastycznych własności technologicznych jest przeprowadzana na podstawie prób, które mają wykazać podatność metalu na odkształcenia trwałe, niezbędne aby nadać właściwe kształty produktom, jednak wymienić należy głównie:, próbę zginania, próbę tłoczności, próbę kucia a także próbę nawijania drutu.
Próba zginania przeprowadzana jest na prętach z przekrojami kołowymi, kwadratowymi lub prostokątnymi. Próba ta polega na wolnym zginaniu próbki naokoło pręta.
W szczególnych przypadkach jest przeprowadzana obostrzona próba zginania. Wówczas poddaje się zginaniu pręty mające nacięty piłką karb albo płaskowniki z wywierconym otworem o średnicy wynoszącej podwójną grubość próbki Miarą plastyczności w próbie zginania jest kąt, pod jakim można zgiąć próbkę nie powodując pęknięcia. Bardzo plastyczne materiały poddawane są próbie zginania wielokrotnego. Miarą plastyczności w tym przypadku jest liczba konkretnych przegięć wykonanych do czasu, gdy pojawią się pierwsze pęknięcia.
Próba nawijania drutów jest stosowana do drutów o średnicy mniejszej niż 6 mm. Próba określa własności plastyczne drutu i pozwala na wykrycie niejednolitości metalu. Oprócz tego umożliwia w drutach emaliowanych określenie trwałości nałożonej powłoki w warunkach próby. Polega ona na nawinięciu na trzpień drutu mającego określoną średnicę. Metoda nawinięcia, liczba zwojów oraz średnica trzpienia jest określana przez normę.
Próba kucia jest wykonywana w zależności od potrzeby jako próba spęczania, próba rozklepywania lub próba rozbijania. W próbie kucia miarą plastyczności jest stopień odkształcania uzyskany do momentu pojawienia się pęknięć w materiale.
Próba tłoczności - do badania tłoczności taśm i cienkich blach jest stosowana metoda Erichsena, która polega na powolnym wtłaczaniu tłocznika stalowego zakończonego kulisto lub kulki w kawałek blachy umocowanej w ukształtowanej odpowiednio matrycy. W próbie metodą Erichsena miarą tłoczności jest rozmiar wgłębienia do momentu wystąpienia w nim pęknięć.
Próba spawalności i zgrzewalności. Zgrzewanie jest procesem polegającym na łączeniu pod naporem metalowych części nagrzanych do odpowiednio wysokiej temperatury. Zbliżony wynik można także uzyskać wywierając nacisk w temperaturze otoczenia na połączone ze sobą części. Niemniej jednak w tym wypadku jest wymagany dużo większy nacisk i staranniejsze czyszczenie powierzchni. Łączenie w temperaturze otoczenia metali nazywamy spajaniem.
Połączenia spajane i zgrzewane są poddawane próbom wytrzymałościowym, zaś miarą spajalności i zgrzewalności jest wytrzymałość utworzonego złącza. Jeśli połączenie funkcjonuje w elektrycznym obwodzie, to bezbłędność jego wykonania jest określana przez przewodność złącza.
Właściwości wytrzymałościowe
Odporność na rozciąganie. Przeciętnie próba rozciągania znormalizowanej próbki wykonanej z badanego materiału ze stałym przekrojem So jest poddawana działaniu rozciągających sił F, które są skierowane równolegle do osi pręta. Wtedy w każdym przekroju, który jest prostopadły do kierunku działania sił powstaną rozciągające naprężenia o - sigma. Ich wartość obliczamy według następującego wzoru:
δ;= F/So N/mm2
Naprężenia są powodem wydłużenia względnego materiału o rozmiarze ε - epsilon
ε = ∆L / L0
gdzie: ∆L to przyrost rozmiaru próbki,
Lo to długość pomiaru próbki.
Na początku rozciągania przy sporym wzroście wartości siły można zaobserwować niewielki przyrost rozmiaru próbki. Powstałe w wyniku działania sił rozciągających odkształcenia mają sprężysty charakter. Jeśli jednak siła wzrośnie powyżej pewnej wartości, to powstaną trwałe odkształcenia. Oznacza to, że przekroczona została granica sprężystości, a także iż w materiale powstały zarówno odkształcenia sprężyste, jak również odkształcenia plastyczne.
Granica sprężystości Rsp jest teoretycznie określana przez największą wartość naprężenia, w przypadku której jeszcze nie występuje trwałe odkształcenie:
Rsp = Fsp / So N/mm2
Wydłużenie AL mm Wydłużenie AL mm
- metali, które wykazują widoczną granicę plastyczności,
- metali , które nie wykazują granicy plastyczności.
W praktyce wyznaczenie granicy sprężystości może okazać się bardzo trudne. Dlatego też, aby określić naprężenia powodujące odkształcenia trwałe można wykorzystać umowną granicę plastyczności, która jest wyznaczony przy odkształcaniu trwałym równym 0,2% wg wzoru:
R0,2 = F0.2/ S0 N/mm3
Zaczynając od wartości siły F przyrostowi długości próbki zbudowanej z miękkiej stali nie towarzyszy dalszy przyrost siły. Wprost przeciwnie, czasem można zaobserwować jej zmniejszenie. Jedynie niektóre materiały powodują gwałtowne załamanie krzywej na wykresach rozciągania. Wiele materiałów da wykresy, dla których zmiany kąta nachylenia krzywej postępują łagodnie, bez gwałtownych załamań. Aby wyznaczyć umowną granicę plastyczności dla tych metali przyjmuje się wartość siły F taką, przy której jest osiągane trwałe odkształcenie określonej wartości. Zazwyczaj do tego celu przyjmuje się wartość wydłużenia trwałego równą 0,2% i obliczoną na podstawie zależności:
∆L / L0 100%
gdzie: ∆L - przyrost rozmiaru próbki,
Lo - długość pomiaru próbki.
W przypadku przekroczenia naprężeń, które odpowiadają granicy plastyczności wzrost długości próbki jest znaczny, mimo że wzrosty siły nie są zbyt wielkie. W pewnym momencie siła osiąga maksymalną wartość Fm. W tym momencie jej wartość zmaleje do Fu. Podczas tego nastąpi zerwanie próbki. Na początku próbka równomiernie się wydłuża. Po osiągnięciu maksymalnego obciążenia Fm w określonym miejscu próbki tworzy się zwężenie nazywane szyjką.
Kolejne rozciąganie jest powodem szybkiego wydłużenia się próbki w punkcie zwężenia.
Iloraz siły Fm do przekroju pierwotnego próbki So nazywamy wytrzymałością na rozciąganie, a oznaczamy symbolem Rm
Rm = Fm/So N/mm2
Biorąc pod uwagę wyniki próby rozciągania określić można zarówno wytrzymałościowe własności metalu, jaki i własności plastyczne (przewężenie i wydłużenie). Względne procentowe wydłużenie próbki po zerwaniu jest określone przez stosunek przyrostu pomiarowej długości próbki do jej początkowej długości.
A = LU-LO/L 0 100%
Przewężenie definiuje stosunek różnicy powierzchni początkowego przekroju próbki So oraz powierzchni Su do początkowego przekroju So
Z= S0-SU/S 0100%
Wytrzymałość na ściskanie - próby wytrzymałości na ściskanie są przeprowadzane głównie na kruchych materiałach (np. żeliwie). Próbka mająca kształt sześcianu lub walca jest poddana działaniu sił o prostopadłym kierunku do poprzecznego przekroju. Jeśli zostaną przekroczone pewne obciążenia próbka zostaje zniszczona. Obciążenie jest odniesione do jednostki powierzchni i nazywane jest wytrzymałością na ściskanie. Wyraża się ono zależnością
Rc = Fc/So N/mm2
gdzie,
Fc to najmniejsza wartość siły, która powoduje zniszczenie materiału,
SO to powierzchnia pierwotnego przekroju poprzecznego próbki.
Kształt próbek wpływa na poziom wytrzymałości i dlatego też próba ściskania przeprowadza jest na próbkach, o kształcie i rozmiarach określonych przez normy. W celu zbadania wytrzymałości na ściskanie najczęściej są stosowane próbki walcowe o wysokości dwa i pół razy większej niż średnica próbki. Z przeprowadzonych badań wynika, iż wyższe próbki są mniej wytrzymałe na ściskanie od próbek niższych. Jest to związane ze zjawiskiem występowania blisko podstaw próbki, poza naprężeniami normalnymi, naprężeń stycznych obejmujących stożkowe obszary, które nie odkształcają się jeszcze z powodu obciążeń powodujących odkształcenia elementów, w których znajdują się wyłącznie normalne naprężenia. W próbkach niskich obszary stożkowe opierają się na sobie. Z tego też powodu ich działanie w pewnym sensie jest hamowane.
Odporność na pełzanie. Pełzaniem nazywamy wydłużanie materiału w wyższej temperaturze pod niezmienionym obciążeniem wraz z upływem czasu. Iloraz wydłużenia do czasu powstania jest nazywany prędkością pełzania. Pełzanie jest to umowna granica wytrzymałości na rozciąganie wyznaczona w stałej temperaturze i przy ustalonej prędkości pełzania. Odporność na pełzanie stopów i metali w pewnym stopniu jest uzależniona od wzrastania obciążenia. Z doświadczenia wynika, iż wytrzymałość maleje, wraz ze wzrostem czasu działania siły. Zerwanie metalu w podwyższonej temperaturze nastąpić może nawet wtedy, gdy naprężenia materiału są mniejsze niż naprężenia określone mianem wytrzymałości na rozciąganie identycznej temperaturze.
W czasie długotrwałego działania siły metal pod jej wpływem dosyć wolno ulega wydłużaniu. To pełzanie zazwyczaj prowadzi do pękania materiału po dłuższym okresie. Proces pełzania podczas rozciągania przedstawić można w postaci relacji wydłużenia od czasu w stałej temperaturze oraz przy trwałym naprężeniu rozciągającym.
Odcinek AB nawiązuje do początkowego okresu pełzania, w czasie którego następuje dość znaczne odkształcenie próbki odbywające się w krótkim okresie. Odcinek BC odpowiada dalszemu okresowi pełzania odznaczającemu się równomiernym i powolnym trwałym odkształceniem. Odcinek CD przedstawia ostatni okres pełzania, charakteryzujący się ciągłym, coraz to szybszym przyrostem wydłużenia, prowadzącym w rezultacie do zerwania danej próbki. Zachowanie materiału w podwyższonej temperaturze pod obciążeniem charakteryzuje trwała wytrzymałość określona jako naprężenie, które powoduje w danej temperaturze zerwanie próbki po upływie określonego terminu. Wartość naprężenia jest oznaczana symbolem R, zaś w indeksie jest podawany czas, którego przekroczenie powoduje zerwanie próbki oraz temperatura, w której były przeprowadzane badania.
Odporność zmęczeniowa. Jeśli na materiał oddziaływają siły zmieniające okresowo w czasie swą wartość, to mogą powstać w nim pęknięcia, chociaż naprężenia określane w stosunku do pierwotnego przekroju próbki nie uzyskały nigdy wartości, mogących spowodować zniszczenie materiału przy stałym obciążeniu.
Pęknięcia są zwykle spowodowane w większym lub w mniejszym stopniu przez działanie karbu.
Karb powstaje w strukturach, w których znajdują się wycięcia lub ostre pęknięcia. Na przykład płaska próbka z wycięciami po bokach, poddawana próbie rozciągania, ma nierównomierne rozkłady naprężeń przy najmniejszym przekroju. Maksymalne naprężenie występuje tu na dnie nacięcia. Jest więc zrozumiałe, iż jakiekolwiek duże zmiany przekroju, tj. miejscowe wady materiału lub rysy, działają porównywalnie jak wycięcie w wyżej opisanej próbce.
Pęknięcia mają swój początek w określonym punkcie A przekroju, najczęściej blisko powierzchni, i wolno postępują w głąb danego materiału. Jeśli tylko przekrój zostanie tym sposobem wystarczająco osłabiony, następuje gwałtowne pęknięcie obciążonej części.
Pęknięcia wywołane przez naprężenia zmęczeniowe mają specyficzny przełom. Jedna z części przełomu ma wygląd krystaliczny (1), a druga muszlowy gładki (2).
Obciążenia, które występują w elementach konstrukcyjnych zmieniać się mogą w pewnych określonych granicach Zdefiniowanie wytrzymałości zmęczeniowej jest przeprowadzane na znormalizowanych próbkach, które poddawane są okresowo różnym obciążeniom.
Istota naprężeń w przypadku obciążeń okresowo zmiennych:
- obciążenie zmienne -jednostronne,
- obciążenie przemienne - obustronne,
- obciążenie powtarzalne -jednostronne.
Wohler przeprowadzając badania polegające na wielokrotnym zginaniu obracającej się próbki w różnych naprężeniach, stwierdził, iż liczba cykli obciążenia aż do chwili pęknięcia danej próbki zmniejsza się wraz z większym zastosowaniem naprężenia.
Wytrzymałość na zmęczenie nazywamy naprężenie, w którym liczba cykli poprzedzających pęknięcie próbki będzie przekraczać wartość Nc. Jednostka tego naprężenia jest oznaczana przez Z0.
W przypadku stali konstrukcyjnej za zwyczajną granicę odporności na zmęczenie uznano naprężenie, które w przypadku 10 milionów zmian obciążenia nie spowoduje złamania próbki, ale tylko niewielki wzrost naprężeń spowoduje już zniszczenie próbki jeśli liczba zmian obciążenia pozostanie bez zmian.
Twardość - odporność materiału na trwałe odkształcenia powstające na skutek wciskania w materiał wgłębnika. Przy pomiarze twardości najczęściej są stosowane metody: Vickersa, Rockwella, Brinella.
Metoda Brinella sprowadza się do wgniatania pod obciążeniem F w badany materiał hartowanej kulki (o średnicy D). W tej metodzie miarą twardości jest iloraz siły F do płaszczyzny odcisku, który powstał w materiale w rezultacie działania na pomiarową kulkę siły F.
HB = F/Scz N/mm2
gdzie,
HB to twardość według Brinella (w N/mm2),
F to siła nacisku (w N),
Scz to powierzchnia kulistej czaszy (w mm2).
Posługując się wzorem na powierzchnię czaszy otrzymujemy:
HB = 2F 0,102/ ∏ D (D-√D2-d2)
gdzie,
D to średnica wgniatanej kulki (w mm),
d to średnica odcisku (w mm).
Udarność. Wytrzymałość na uderzenie jest zależna od: temperatury, rodzaju materiału i kształtu próbki poddanej badaniu oraz od metody jej obciążenia.
W zależności od sposobu obciążenia wyróżnić można udarowe ściskanie, udarowe rozciąganie, udarowe zginanie oraz udarowe skręcanie. Wynik badania zginania udarowego nazywany jest udarnością.
W badaniu jest stosowana próbka w postaci pręta mająca przekrój kwadratowy. Na pewnym z jej boków jest nacięty karb, który umożliwia pęknięcie próbki w czasie badania; wymiary karbu oraz wymiary próbki określa norma. Narzędzie do określania udarności to młot udarnościowy. Najczęściej stosowany jest młot typu Charpy.
Aby przeprowadzić pomiar umieszcza się próbkę w podporach i podnosi się na wysokość H wahadło. Z tej wysokości jest ono opuszczone i uderza w próbkę, zaś po jej zniszczeniu podnosi się ponownie do wysokości h. W przypadku gdy ciężar wahadła jest równy G N, w górnym położeniu energia potencjalna młota jest równa
E1 = G-H
Gdy próbka została złamana wahadło jeszcze miało energię, dzięki czemu mogło wznieść się do wysokości h. Ta energia wynosi:
E2 = Gh
Energia stracona na zniszczenie próbki jest równa:
E = E1- E2 = G {H-h) J
Jeśli przekrój próbki jest równy So cm2, udarność K oblicza się wg wzoru:
K = Wu/ S0 J/cm3
gdzie,
Wu to wartość pracy , która odpowiada zużytej energii do złamania próbki w J;
So to powierzchnia poprzecznego przekroju próbki (mierzona przed rozpoczęciem próby w cm2) w miejscu karbu.
Właściwości cieplne
Główne własności cieplne materiałów technicznych to: rozszerzalność temperaturowa, przewodność cieplna oraz pojemność cieplna.
Pojemnością cieplną substancji nazywana jest ilość ciepła potrzebna do podniesienia o jeden stopień temperatury danej substancji. Pojemność cieplna, która przypada na jednostkę masy danej substancji jest nazywana ciepłem właściwym (wyrażanym w J/(kg K)). Wielkość ta nie jest stałą wartością i zależy przede wszystkim od temperatury. W wielu substancji bezpostaciowych, szklistych i krystalicznych ciepło właściwe wzrasta równocześnie ze zwiększeniem temperatury.
Rozszerzalność temperaturową charakteryzuje zjawisko zmiany rozmiarów substancji wraz ze zmianami temperatury.
Wzrost długości, który przypada na jednostkę długości, który spowodowany jest podwyższeniem temperatury o IK jest określany jako współczynnik temperaturowej liniowej rozszerzalności.
Zjawisko temperaturowej rozszerzalności ciał stałych spowodowane jest drganiami atomów w krystalicznej siatce, których siła wzrasta jednocześnie ze podwyższeniem temperatury. W czasie ogrzewania niektóre materiały wykazują gwałtowne zmiany współczynnika temperaturowej rozszerzalności. Zmiany te spowodowane są głównie przez przebudowę krystalicznej siatki i zachodzącą w pewnych substancjach w danych temperaturach.
Przewodność cieplną określa się przez współczynnik przewodności cieplnej, który oznacza ilość ciepła, przepływającą przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu, gdy różnica temperatur w substancji przewodzącej ciepło jest równa K na jednostkę odległości. Współczynnik przewodności cieplnej w technice wyraża się w: W/ (m K).
Właściwości elektryczne
Używane w technice materiały wskutek zdolności przewodzenia prądu elektrycznego dzielą się na: izolatory półprzewodniki i przewodniki:
Umownie za przewodniki przyjęto uważać ciała, których właściwa oporność w pokojowej temperaturze jest mniejsza niż Ω cm.
Izolatory natomiast są ciałami o oporności właściwej, która przekracza 1010 cm..
Substancje, które wykazują oporność właściwą kształtującą się w przedziale l - 1010 cm są uważane za półprzewodniki.
Rozbieżności między izolatorami, półprzewodnikami i przewodnikami, są jeszcze bardziej istotne niż wynika to z wymienionej wcześniej klasyfikacji. Różnice dotyczą przede wszystkim sposobu przewodzenia prądu i wpływu zewnętrznych warunków na elektryczną przewodność materiałów.
Właściwości magnetyczne
Zależnie od zachowania się substancji w polu magnetycznym możemy dokonać podziału wszystkich materiałów na ferromagnetyczne, paramagnetyczne i diamagnetyczne.
Materiały diamagnetyczne umiejscawiają się w stałym magnetycznym polu poprzecznie do linii wszystkich sił pola. Materiały diamagnetyczne to: miedź, cynk, bizmut.
Materiały paramagnetyczne umiejscawiają się w magnetycznym polu równolegle z kierunkiem linii wszystkich sił pola. Właściwości paramagnetyczne wykazują m.in.: mangan, chrom, i aluminium.
Materiały ferromagnetyczne znajdujące się w polu magnetycznym jednocześnie ze wzrostem natężenia pola namagnesowują się, a po wyeliminowaniu pola magnetycznego wykazują własności magnetyczne. Materiały ferromagnetyczne to: kobalt, nikiel oraz niektóre ich węgliki i tlenki, a także żelazo o temperaturze otoczenia.
Właściwości chemiczne
Z perspektywy eksploatatora i konstruktora urządzeń chemiczne własności materiałów to głównie odporność materiału na działanie otoczenia zewnętrznego,
w którym te urządzenia przebywają na stałe. Metale, które najczęściej wykorzystujemy w budownictwie maszyn, wykazują skłonność do utleniania się - korozja chemiczna lub też w obecności elektrolitu ulegają jonizacji. Jeśli w elektrolicie wystąpi różnica potencjałów pomiędzy sąsiadującymi obszarami stopu, wtedy rozpoczyna się wędrówka jonów różnoimiennych, co w konsekwencji prowadzi w pewnych obszarach do zniszczenia materiału. Zjawisko niszczenia metali lub stopów przy udziale elektrolitu jest nazywane korozją elektrochemiczną. Tak więc jest zrozumiałe, iż przy doborze materiałów trzeba liczyć się z możliwym wystąpieniem korozji i w takim razie należy chronić przed jej skutkami wszystkie urządzenia.
Reguły oszczędnego doboru materiałów
W doborze materiału ma z pewnością istotne znaczenie jego jednostkowa cena. Jednak rezygnuje się nieraz ze stosowania tanich surowców na korzyść surowców droższych, jeżeli zastosowanie ich zapewni dłuższą trwałość maszyny lub poprawi sprawność działania. Spełnienie ustalonych warunków przy doborze tworzyw prowadzi do uzyskania dobrych skutków ekonomicznych. Najważniejsze z nich to:
Zwiększenie dokładności wytrzymałościowych obliczeń, które pozwala na zmniejszenie parametrów bezpieczeństwa, Dokładna znajomość warunków działania urządzenia, Zastosowanie optymalnych sposobów wytwarzania, Zmniejszenie zapotrzebowania na materiały poprzez stosowanie rur, kształtowników, półwyrobów zbliżonych rozmiarami do istniejącego produktu. Przeanalizowanie własności materiałów i umożliwienia i zmieniania poprzez stosowanie obróbki powierzchniowej, cieplnej, itp.
Ujęcie ilościowe wymienionych czynników pomogłoby podjąć jednoznaczną decyzję w sprawie doboru odpowiedniego materiału. Od jakiegoś czasu przeprowadzane są próby podporządkowania przytoczonym warunkom określonych liczbowych parametrów uwzględniających sposób obciążenia części, a także dopuszczalne naprężenia, które występują pod ciężarem elementu. Te parametry, nazywane wskaźnikami materiałowymi, definiują porównawczo - w procentach: koszt objętość i ciężar zastosowanego materiału.
Kwestie te rozwiązuje konstruktor maszyny podczas pracy nad dokumentacją projektową.
