Большинство материалов, используемых в обрабатывающей промышленности, относятся к одной из трех широких категорий: металлы, керамика или полимеры. Их механические и физические характеристики различаются, что влияет на технологии производства, которые используются для создания деталей. Наряду с тремя основными категориями существует еще один тип материалов — композиты, представляющие собой неоднородные сочетания трех других основных категорий, а не одну категорию.
1. Металлы
Металлы, используемые в производстве, представляют собой сплавы, состоящие из двух или более элементов, по крайней мере один из которых является металлическим. Металлы и сплавы подразделяются на две основные категории: черные и цветные черные металлы.
– Черные металлы состоят из железа и включают сталь и чугун. Хотя чистое железо имеет ограниченное применение, в сочетании с углеродом оно имеет больше применений и боьше коммерческой ценности, чем любой другой металл. Железо и углеродистые сплавы используются для производства стали и чугуна. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержащий от 0,02 до 2,11 процента углерода. Чугун представляет собой сплав, содержащий от 2% до 4% железа и углерода, который используется в литье. Эти металлы популярны из-за их прочности на растяжение и долговечности. Углеродистая сталь является основным материалом в строительной отрасли и используется для самых высоких небоскребов и самых длинных мостов. Черные металлы также используются в контейнерах, промышленных трубопроводах, автомобилях, железнодорожных путях и многих коммерческих и бытовых инструментах.
– Цветные металлы – это металлы или сплавы, не содержащие значительного количества железа. Цветные металлы, которые часто дороже черных металлов, используются из-за характеристик, таких как меньший вес, лучшая проводимость, немагнитные свойства или коррозионная стойкость. Есть несколько цветных металлов, которые включают все металлы и сплавы, не содержащие железо. Алюминий, медь, свинец, никель, олово, титан и цинк являются примерами цветных металлов, как и медные сплавы, такие как латунь и бронза.
2. Керамика
Керамика относится к материалу, состоящему из металлических, полуметаллических и неметаллических компонентов. Керамика классифицируется как кристаллическая керамика и аморфные твердые тела (стекла). Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит, современная керамика, включая карбид кремния и карбид вольфрама.
– Кристаллическая керамика: обычно изготавливается из порошков, а затем обжигается при температуре ниже точки плавления для обеспечения связи между частицами.
– Стекло: термин «стекло» противопоставляется кристаллическому состоянию в керамической технологии, и его называют «переохлажденной жидкостью», стекло можно плавить и отливать, а затем формовать с использованием классических методов выдувания стекла. Когда образуются кристаллические материалы, молекулы имеют возможность ориентироваться по выбранному образцу во время замораживания, тогда как случайная ориентация молекул фиксируется в твердом теле в стекле. Стекло является предпочтительной структурой в керамике, и оно развивается спонтанно из-за быстрых циклов охлаждения. Циклы охлаждения в природе большие, и горная порода кристаллизуется в результате длительного времени, в течение которого она должна охлаждаться.
3. Полимеры
Полимер — это вещество, состоящее из повторяющихся структурных единиц, называемых мерами, атомы которых имеют общие электроны для создания чрезвычайно массивных молекул. Углерод часто сочетается с одним или несколькими дополнительными элементами, такими как водород, азот, кислород и хлор, с образованием полимеров. Термопластичные полимеры, термореактивные полимеры и эластомеры представляют собой три типа полимеров.
- Термопластичные полимеры можно подвергать многократным циклам нагревания и охлаждения без существенного изменения молекулярной структуры полимера. К обычным термопластам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и нейлон.
– Термореактивные полимеры химически переходят в жесткую структуру при охлаждении из нагретого пластического состояния. Члены этого типа включают фенольные смолы, аминосмолы и глубокие окси. хотя используется название термореактивный, некоторые из этих полимеров отверждаются с помощью механизмов, отличных от нагревания. – Эластомеры – это полимеры, обладающие значительными эластичными свойствами, к ним относятся натуральный каучук, неопреновый силикон и полиуретан.
4. Композитный
Композитный материал состоит из двух или более фаз, которые обрабатываются независимо, а затем соединяются вместе для получения характеристик, превосходящих характеристики их частей. Термин фаза относится к однородной массе материала, такой как скопление зерен с аналогичной структурой элементарных ячеек в твердом веществе. Типичная структура композита состоит из частиц или волокон одной фазы в сочетании с матрицей второй фазы. Композитные материалы существуют в природе, например древесина, и могут быть синтезированы синтетическим путем. Свойства композитного материала определяются его составными частями, их физическими формами и способом их смешивания для получения конечного вещества. Некоторые композиты сочетают в себе высокую прочность и малый вес, что делает их идеальными для таких применений, как компоненты самолетов, кузова автомобилей, корпуса лодок, теннисные ракетки и удочки. Другие композиты прочны и тверды и способны сохранять эти свойства при повышенных температурах, например, режущие инструменты из цементированного карбида. Композиты с металлической матрицей, композиты с керамической матрицей и композиты с полимерной матрицей представляют собой три вида композитов.
– Композиты с металлической матрицей: металлическая матрица и дисперсная фаза составляют композиты с металлической матрицей. MMC создаются путем распределения армирующего вещества по металлической матрице. Композиты на основе алюминия, композиты на основе магния, композиты на основе титана, композиты на основе меди и композиты на основе суперсплавов являются наиболее широко используемыми композитами с металлической матрицей.
– Композиты с керамической матрицей состоят из керамической матрицы и дополнительных материалов, включенных в нее. Как волокна, так и матрица могут быть изготовлены из любого керамического материала, причем углерод и углеродные волокна также относятся к керамическим материалам. КМЦ часто используются в аэрокосмической и энергетической промышленности.
– Композиты с полимерной матрицей: композиты с полимерной матрицей состоят из ряда коротких или непрерывных волокон, которые удерживаются вместе органической полимерной матрицей. ПМК предназначены для передачи нагрузок между волокнами матрицы. Термореактивные полимеры и термопласты представляют собой два типа полимеров, которые используются в качестве матричных смол при производстве композитов.
