Конструкционные материалы

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, материалы, предназначенные для изготовления конструкций (деталей машин или механизмов, приборов, сооружений, транспортных средств и др.), воспринимающих механические нагрузки. Конструкционные материалы (в отличие от других технических материалов - оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и пр.) должны иметь высокую конструкционную прочность, обеспечивающую их надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации. К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним (статическим, циклическим и ударным) нагрузкам - прочность, удельная прочность (особенно для конструкционных материалов, используемых в авиа- и ракетостроении), жаропрочность, выносливость и вязкость разрушения (сопротивление материала образованию трещин). В ряде случаев важными характеристиками конструкционных материалов также являются износо-, термо- и коррозионная стойкость, свариваемость, прокаливаемость и др. На механические свойства конструкционных материалов оказывает влияние (преимущественно негативное) рабочая среда, вызывая повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания или изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчивание металлических конструкций). Конструкционные  материалы эксплуатируются в широком температурном диапазоне - от -269 до 2500 °С; для обеспечения работоспособности при высокой температуре материал должен обладать жаропрочностью, при низкой - хладостойкостью. От технологичности конструкционных материалов (их обрабатываемости резанием, давлением, способности к литью и др.) зависит качество изготовления деталей.

Конструкционные  материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и др.); по условиям эксплуатации - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и др.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности и высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Наибольшее распространение среди металлических конструкционных материалов получили конструкционная сталь и чугун. Конструкционные стали характеризуются широким диапазоном предела прочности - 200-3000 МПа; применяются в строительстве, авто-, авиа-, тракторо-, судостроении и др. Предел прочности чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 МПа (чугаль) до 1350 МПа (чугун, легированный магнием). Чугуны широко используются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительной среде, и др. Сплавы на основе цветных металлов также широко применяются в различных областях техники. Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность и жаропрочность до 1000-1100 °С, интерметаллидные сплавы на основе соединения Ni₃Al - до 1200 °С; применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых и газовых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Алюминиевые сплавы по удельной жёсткости значительно превосходят стали, предел прочности деформируемых сплавов составляет до 750 МПа, литейных - до 550 МПа; служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов и др. Магниевые сплавы отличаются малой плотностью (в 4 раза меньше, чем у стали), имеют предел прочности до 400 МПа и выше; применяются преимущественно в виде литых деталей в конструкциях ЛА, в автомобилестроении, в полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы (предел прочности до 1600 МПа и более) превосходят стали и алюминиевые сплавы по удельной прочности, коррозионной стойкости и жёсткости; служат для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов нефтеперерабатывающей и химической промышленности и др. Циркониевые сплавы, наряду с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, обладают прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью в агрессивных средах; используются в ядерной энергетике для элементов конструкции активной зоны реакторов АЭС. Повышение эксплуатационных свойств металлических конструкционных материалов, получаемых традиционными методами, связано с использованием легированных и нанокристаллических металлических порошков.

Неметаллические конструкционные материалы включают полимерные материалы, керамику, огнеупоры, стёкла, резины, древесину. Термопласты (полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты), а также реактопласты используются в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе в химически активных: топливах, маслах и др. Стёкла (силикатные, кварцевые, органические) и триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Огнеупоры применяются преимущественно в чёрной и цветной металлургии при изготовлении огнеупорных футеровок в агрегатах, работающих в условиях высоких температур (более 900 °С). Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений. Древесина используется в качестве шпал, крепи для угольной и горнорудной промышленности, для производства строительных конструкций, домов и др.

Композиционные конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости на 50-100% превосходят стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают снижение массы конструкций на 20-50%. Композиционные конструкционные материалы (углепластики, органопластики, органотекстолиты, алюмостеклопластики и др.) широко применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др.

Получение новых конструкционных материалов с улучшенными (по сравнению с традиционными конструкционными материалами) свойствами связано с синтезом материалов с субмикроскопической структурой из элементов, имеющих предельные значения свойств (предельно прочных, тугоплавких, термостабильных), а также с применением специальных методов изготовления (значительно повышающих прочность и долговечность материалов). Например, для металлических конструкционных материалов используется направленная кристаллизация сталей и сплавов для получения литых деталей со столбчатой структурой зёрен, монокристаллических деталей из никелевых сплавов с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений (лопатки газовых турбин); для неметаллических конструкционных материалов применяются методы ориентации линейных макромолекул полимерных материалов, модифицирование наночастицами (фуллеренами, нанотрубками, нановолокнами), создание полимерных нанокомпозитов.

Лит.: Машиностроение: Энциклопедия. М., 2001. Т. 2/3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / Ред.-сост. И. Н. Фридляндер; Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. 2-е изд. М., 2007.