Материалы для современной техники

Определения и обозначения

Современный технический материал — материал, который специально выбирают или создают для изготовления предметов и устройств с нужными свойствами. Например, изделию могут понадобиться лёгкость, прочность или стойкость к нагреванию. Такое понятие помогает понять, почему внешне похожие предметы делают из разных веществ. Материал подбирают не случайно, а с учётом задачи.

Сплав — материал, полученный соединением нескольких веществ, обычно металлов, чтобы изменить свойства исходного металла. Добавление других веществ позволяет получить материал, который отличается от исходного металла. Он может стать прочнее или лучше противостоять коррозии, то есть разрушению при взаимодействии с окружающей средой. Сплавы нужны, когда свойств чистого металла недостаточно.

Пластмасса — материал на основе полимеров, который можно формовать при изготовлении изделий. Полимеры — вещества, из которых образованы пластмассы. При производстве материалу придают нужную форму, поэтому его удобно использовать для деталей и предметов разного вида. Это определение помогает отличить пластмассу от металла и других материалов.

Композиционный материал — материал из нескольких разных частей, соединённых так, чтобы получить нужное сочетание свойств. Его составляющие не просто оказываются рядом: каждая может вносить полезное качество. Например, одна часть помогает материалу быть прочным, а другая — лёгким. Такие материалы создают для изделий, которым одновременно нужны разные свойства.

Как это устроено

Для разных технических изделий нужны разные свойства, потому что предметы выполняют неодинаковую работу. Деталь, на которую действует большая нагрузка, должна выдерживать усилие и не ломаться. Для переносного предмета может быть важна малая масса, а для детали рядом с горячей поверхностью — устойчивость к нагреванию. Поэтому сначала определяют назначение изделия, а затем выбирают материал с подходящими качествами.

Свойства металла можно менять, добавляя к нему другие вещества. Полученный сплав уже отличается по составу от исходного металла, поэтому может отличаться и по поведению. Например, добавки помогают сделать некоторые сплавы прочнее или устойчивее к коррозии. Это полезно, когда металлическую деталь используют во влажной среде или она должна выдерживать нагрузку. Значит, при выборе важно учитывать не только то, что материал металлический, но и из какого сплава он сделан.

Пластмассы удобны для изготовления предметов, потому что им можно придавать разные формы. Это позволяет выпускать лёгкие детали, которые не требуют высокой прочности металла. Например, пластмассовой части изделия может быть достаточно выдерживать обычное обращение, а большая твёрдость и способность переносить сильные нагрузки ей не нужны. При этом пластмассы различаются по составу и свойствам. Поэтому нельзя заранее считать, что любая пластмасса одинаково мягкая или непрочная.

Керамические материалы получают из минерального сырья, то есть природных веществ, которые перерабатывают для изготовления материала. Они могут быть твёрдыми и устойчивыми к нагреванию, поэтому подходят для изделий, которым важны такие качества. Однако твёрдость не означает, что материал хорошо переносит удар. Некоторые керамические изделия при резком ударе легко разбиваются. Значит, учитывают не одно свойство, а все условия, в которых будет использоваться предмет.

В композиционном материале соединяют разные составляющие, потому что их свойства могут дополнять друг друга. Если одной части не хватает нужного качества, другая может помочь его получить. В результате материал способен сочетать, например, небольшую массу и высокую прочность. Такое сочетание полезно для деталей, которые должны быть одновременно лёгкими и надёжными. Выбирая композиционный материал, обращают внимание на свойства всего изделия, а не только на отдельные составляющие.

Материалы и их применение в технике

Сначала найдите в таблице материал, а затем сравните его свойство с задачей изделия. Примеры показывают возможное применение, но не означают, что материал годится для любого предмета такого вида. Всегда учитывайте условия работы детали.

Разбор задач

Задача 1. Для изготовления лёгкой ручки инструмента нужно выбрать металл или пластмассу. Нужно определить, какой материал лучше отвечает требованию малой массы. При этом важно помнить, что речь идёт именно о ручке, а не о рабочей части инструмента. Сравним материалы по указанному назначению.

1. Выделим требование: ручка должна быть лёгкой.
2. Сравним варианты: пластмасса часто имеет небольшую массу, а металл обычно выбирают, когда особенно важны прочность и способность выдерживать нагрузку.
3. Учтём назначение ручки: если ей не нужна высокая прочность металла, пластмасса подходит лучше.

Ответ: лучше выбрать пластмассу, потому что она может сделать ручку легче. Решение основано на назначении детали и важном для неё свойстве. Если бы ручка должна была выдерживать необычно большую нагрузку, потребовалось бы отдельно сравнить прочность материалов. Одного слова «ручка» недостаточно для выбора без учёта условий работы.

Задача 2. Стальную деталь заменили сплавом, который меньше ржавеет. Нужно объяснить, почему изменение состава могло изменить свойства детали. Ржавление — это разрушение металла под действием окружающей среды. Сравним чистую сталь и материал, состав которого изменён добавками.

1. Сталь сама является сплавом, то есть содержит железо и другие вещества.
2. При изменении количества или вида составляющих меняются свойства полученного материала.
3. Если новый состав лучше противостоит воздействию окружающей среды, деталь будет меньше ржаветь.

Ответ: добавление других веществ могло изменить состав сплава и повысить его устойчивость к коррозии. Поэтому деталь стала меньше ржаветь. Это показывает, что для выбора важно знать не только название основного металла, но и состав сплава. Один и тот же металл в разных сплавах может вести себя по-разному.

Задача 3. Для детали, которая должна быть лёгкой и прочной, предложили композиционный материал. Объясните, почему соединение разных составляющих может помочь выполнить оба требования. Здесь нужно оценить не одну характеристику, а сочетание двух свойств. Простого перечисления состава недостаточно: следует понять, чем полезно соединение частей.

1. Назовём требования: небольшая масса и высокая прочность.
2. У разных составляющих могут быть разные полезные свойства, и они способны дополнять друг друга.
3. При соединении можно получить материал, который сочетает качества частей и лучше подходит для детали.

Ответ: композиционный материал полезен тем, что его составляющие могут вместе обеспечить нужное сочетание лёгкости и прочности. Его выбирают, когда одного свойства недостаточно. При этом конкретное сочетание зависит от того, из каких частей и как изготовлен материал. Поэтому решение связано с требованиями к детали.

Типичные ошибки

Одна ошибка — считать, что любой материал подойдёт для любого изделия. Так думают, если обращают внимание только на внешний вид или привычный способ изготовления предмета. Но деталь может нагреваться, намокать или испытывать нагрузку. Проверьте себя: назовите назначение изделия и хотя бы одно свойство, которое ему требуется.

Не путайте сплав с чистым металлом: сплав состоит из нескольких веществ, а его свойства могут отличаться от свойств исходного металла. Ошибку допускают, потому что и металл, и сплав часто выглядят одинаково. Чтобы проверить себя, спросите, один ли компонент входит в состав или материал специально получен соединением веществ. Различие состава объясняет различие свойств.

Неверно думать, что пластмасса всегда мягкая и непрочная. Такое представление возникает из-за знакомства с отдельными пластмассовыми предметами, но составы и свойства пластмасс бывают разными. Проверьте себя: не делайте вывод обо всех пластмассах по одному изделию. Для выбора нужно знать, какие нагрузки и условия предусмотрены.

Композиционный материал — не просто случайная смесь. Его составляющие соединяют, чтобы получить полезное сочетание свойств. Путаница появляется из-за того, что в обоих случаях присутствуют разные вещества. Проверьте себя вопросом: объяснено ли, какую пользу дают части материала вместе? Если да, речь идёт о целенаправленном сочетании составляющих.

Связь с другими темами

Для изучения материалов полезно знать, что тела состоят из веществ, а вещества обладают разными свойствами. Это помогает понять, почему внешне похожие предметы могут быть изготовлены по-разному. Позже знания о материалах пригодятся при изучении строения веществ и объяснении выбора деталей для разных задач. Они также помогают замечать, из чего сделаны окружающие предметы и почему для каждого из них выбрали именно такой материал.

Что запомнить

• Материал выбирают с учётом назначения изделия.
• Важные свойства материала — прочность, масса, устойчивость к нагреванию и воздействию воды.
• Сплав состоит из нескольких веществ.
• Состав сплава влияет на его свойства.
• Пластмассы можно формовать при изготовлении изделий.
• Композиционный материал объединяет разные составляющие.
• У каждого материала есть подходящие области применения.