Это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и
сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся
износостойкостью.
Длительный период в своем развитии человеческое общество использовало
для своих практических нужд ограниченный круг материалов: дерево,
камень, натуральные волокна, обожженную глину, стекло, железо и др.
Промышленный переворот XVIII в. и дальнейшее развитие техники, особенно
создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, электрических
машин и автомобилей, усложнили требования к материалам их деталей, к их
прочности, температурной стойкости и т. п. В то время основными
конструкционными материалами были сплавы на основе железа (см. Железо,
сталь, чугун), меди (бронза, латунь), свинца и олова.
При конструировании самолетов от конструкционных материалов
потребовалась высокая удельная прочность; широкое распространение
получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали,
алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие
авиационной техники привело к созданию новых жаропрочных сплавов на
основе никеля и кобальта, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов,
пригодных для длительной работы при высоких температурах.
С совершенствованием техники требования к конструкционным материалам все
более усложняются. Так, судостроению необходимы стали и сплавы, хорошо
поддающиеся сварке, коррозионностойкие, а химическому машиностроению - с
высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Ядерная энергетика
использует конструкционные материалы, которые при наличии прочности
должны удовлетворять еще одному требованию - малому поперечному сечению
захвата нейтронов.
Существует огромное количество различных конструкционных материалов. По
своей природе они подразделяются на металлические, неметаллические и
композиционные.
К металлическим конструкционным материалам относится большинство марок
стали. Сталь получают в конвертерах, мартеновских и электрических печах,
а также способами электрошлакового переплава (см. Литье), вакуумирования
и др. Чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин,
коленчатых валов, зубчатых колес, цилиндров двигателей внутреннего
сгорания и т. д.
Никелевые и кобальтовые сплавы сохраняют прочность при 1000-1100° С,
выплавляются в вакуумно-дуговых, плазменных и электроннолучевых печах
(см. Плазматрон, плазменная технология, Электроннолучевая технология).
Эти сплавы используются в авиационных и ракетных двигателях, паровых
турбинах и др. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов
самолетов, вертолетов, ракет, судов. Магниевые сплавы применяются в
конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной
и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы, отличающиеся
особенно высокой удельной прочностью и коррозийной стойкостью,
используются в авиационной, химической промышленности, медицине и др. В
различных отраслях техники нашли применение также сплавы на основе меди,
цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия.
Неметаллические конструкционные материалы включают пластики,
термопластичные полимеры, керамику, огнеупоры и др. Пластики на основе
термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные
(упрочненные) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и другими волокнами,
применяются в конструкциях самолетов, ракет, энергетических и
транспортных машин. Термопластичные полимерные материалы - полистиролы,
полиамиды, фторопласты - используются в деталях электро- и
радиооборудования и др. Из керамических материалов изготовляют детали,
работающие при высокой температуре. Резины на основе различных каучуков,
упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или
монолитных колес самолетов и автомобилей.
Современная техника продолжает предъявлять все новые требования к
конструкционным материалам. Так, например, для уменьшения массы
летательных аппаратов используются многослойные конструкции,
отличающиеся одновременно легкостью, прочностью и жесткостью. Для многих
областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную
прочность с высокими электрическими, теплоизоляционными, оптическими и
другими свойствами.
В составе конструкционных материалов нашли применение почти все элементы
таблицы Менделеева. Эффективность классических металлических сплавов
достигается сочетанием особого легирования, высококачественной плавки и
термической обработки.
В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных
материалов будет широкое синтезирование их из элементов, имеющих
предельные значения свойств, т. е. предельно прочных, предельно
тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название
композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы
(волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и т. п.,
составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного
и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных
материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50-
100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию
массы конструкции на 20-50%. Поэтому сейчас производству конструкционных
материалов и улучшению их качества уделяется особое внимание.
