И конструктор продукта, и производитель должны иметь глубокие знания свойств и терминологии, связанных с материалами, которые они собираются выбрать и использовать при конструировании автомобилей. Каждый материал обладает определенными свойствами, которые делают его подходящим для определенных задач.
Материалы, используемые в автомобилестроении, должны выдерживать воздействие различных сил, не подвергаясь значительным деформациям, а так же иметь высокий уровень эксплуатационной безопасности. Это особенно важно, когда речь идет о конструкции автомобиля и других видов транспорта. Однако для производства компонентов транспортных средств требуются различные, иногда противоречащие свойства материалов.
Механические свойства связаны с поведением материала при приложении той или иной силы. Именно эти свойства изначально интересуют конструктора транспортного средства, при выборе материала для выполнения определенной задачи, например, шасси, кузов или подвеска. Для определения таких свойств используются испытания. Для некоторых компонентов, таких как электрические и электронные системы управления, которые включают магнитные компоненты, могут быть важны дополнительные характеристики. Оптические, термические и химические свойства важны для таких деталей, как ветровые стекла и теплообменники. Эти немеханические свойства обычно классифицируются как физические свойства.
Достаточно сильное усилие вызовет определенную деформацию материала, как временную (упругую), так и постоянную (пластическую). Прочность материала определяется как его способность выдерживать воздействие силы или постоянной деформации без разрушения. Для противодействия различным нагрузкам требуются разные виды прочности материалов.
Прочность на растяжение — это способность материала противостоять растяжению или вытягиванию, как в тяговом стержне.
Прочность на сжатие — это способность противостоять толкающему усилию, которое стремится сжать или укоротить деталь, например, как шатун двигателя.
Прочность на кручение – это способность выдерживать усилия скручивания, например, карданного вала, болтов головки блока цилиндров или всей конструкции кузова. Значения прочности материалов варьируются от 10 МПа у полимеров, до 1000 МПа у металлов и керамики.
Эластичность — это способность растягиваться и сгибаться под воздействием различных сил, а затем восстанавливать первоначальную форму и размер, когда эти силы перестают действовать, подобно эластичной резиновой ленте. Все компоненты автомобиля должны обладать определенной степенью упругости, которая определяется количественно с помощью модуля упругости материала, определяемого как упругое напряжение, деленное на упругую деформацию. Значения модуля упругости варьируются от кПа для каучуков и пластмасс до ГПа для металлов и керамики. Более широкий термин, называемый жесткостью, учитывает форму и конструкцию деталей, а также модуль упругости, присущий материалу изделия.
Пластичность — это способность материала постоянно изменять свою форму под воздействием внешних воздействий или ударов, не растрескиваясь и не ломаясь. Некоторые материалы становятся более пластичными при нагревании. Дополнительным термином здесь является податливость. Податливость относится к состоянию, при котором материал может подвергаться постоянной деформации во всех направлениях при сжатии, ударах молотком, прессовании или прокатке без разрыва или растрескивания, как при ковке или изготовлении листов. Пластичность — это важно, но пластичные материалы не обязательно должны быть прочными. Пластичность повышается с повышением температуры.
С другой стороны, пластичность — это способность подвергаться холодной пластической деформации при изгибе, кручении или, чаще всего, растяжении. Постоянное уменьшение поперечного сечения может быть достигнуто путем протягивания стержня через станок для получения проволоки без ее разрыва, как при изготовлении электрических кабелей. Пластичность, в отличие от податливости, уменьшается с повышением температуры.
Твердость является сложным свойством. Это способность материала противостоять как абразивному износу, так и вдавливанию. Это важное качество для подшипников, а также для сверл.
Ударная вязкость — это термин, обычно используемый для обозначения способности материала выдерживать внезапные толчки или удары без разрушения, что требуется, например, для головки молотка. Она также включает в себя устойчивость к растрескиванию при воздействии изгибающих или сдвигающих нагрузок. В отличие от ударной вязкости, это свойство хрупкости, которое представляет собой тенденцию к незначительному или отсутствию пластической деформации перед разрушением. Если материал хрупкий, например, стекло и керамика, а также некоторые металлы и аморфные пластики, такие как чугун и полистирол, не проявляют пластичности, а лишь ограниченно деформируются перед разрушением.
Стабильность размеров — это устойчивость к изменениям размера и формы. Пластмассы при комнатной температуре и металлы при высокой температуре постепенно деформируются и могут со временем разрушиться при длительном воздействии постоянной силы. Эта постепенная деформация при постоянной нагрузке известна как ползучесть. Поэтому при высоких нагрузках необходимо использовать материалы, устойчивые к ползучести, применяемой в течение длительного времени при высоких температурах, например, в болтах головки блока цилиндров двигателя.
Усталостное разрушение вызвано повторяющимися или обратными циклами напряжений в любом из вышеуказанных режимов нагружения, обычно при уровнях напряжений, которые не привели бы к разрушению в статических условиях. Такая цикличность часто встречается в конструкциях кузова автомобиля и его компонентах, таких как коленчатые валы, шатуны и шины. Усталостное разрушение может ускоряться из-за коррозии, более высоких температур и плохой отделки поверхности.
Долговечность — это способность материала противостоять длительному атмосферному воздействию и коррозии, а также разрушению, которое они могут вызвать. Это часто связано с изменением внешнего вида.
Влажная коррозия и окисление характерны для металлов, таких как сталь, за исключением золота. Их комбинированное воздействие приводит к механическим повреждениям, которые могут иметь катастрофические последствия для компонентов автомобиля. Солнечный свет, особенно ультрафиолетовое излучение, окисление и некоторые химические вещества также могут привести к разрушению пластмасс и других полимеров, хотя некоторые из них более устойчивы к агрессивным средам, чем металлы и полимеры. Для увеличения срока увеличения срока службы, как правило, добавляют стабилизаторы. Стекло и керамика по своей природе более устойчивы к агрессивным средам, чем металлы и полимеры, но они хрупкие.
