КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
материалы, из к-рых изготовляются детали конструкций (машин
и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами
К. м. являются механические свойства, что отличает их от др. технич. материалов
(оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных
и др.). К осн. критериям качества К. м. относятся параметры сопротивления
внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надёжность, ресурс и др. Длительный
период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд
(орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов:
дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую
глину, стекло, бронзу, железо. Пром. переворот 18 в. и дальнейшее развитие
техники, особенно создание паровых машин и появление в кон. 19 в. двигателей
внутреннего сгорания, электрич. машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали
требования к материалам их деталей, к-рые стали работать при сложных знакопеременных
нагрузках, повышенных темп-pax и др. Осн. К. м. стали металлич. сплавы
на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и
латуни),
свинца и олова.
При конструировании
самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к К. м., стала высокая
удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики
(фанера), малолегиров. стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее
развитие авиац. техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов
на
никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых
сплавов, пригодных для длит, работы при высоких темп-pax. Совершенствование
техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся
требования к К. м. (температурная стойкость, износостойкость, электрич.
проводимость и др.). Напр., судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей
свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химич. машиностроению
- с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной
энергетики связано с применением К. м., обладающих не только достаточной
прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях,
но и удовлетворяющих новому требованию - малому поперечному сечению захвата
нейтронов.
К. м. подразделяются:
по природе материалов - на металлич., неметаллич. и композиционные материалы,
сочетающие
положительные свойства тех и др. материалов; по технологич. исполнению-
на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и
др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением,
взрывом, диффузионным сращиванием и т. п.); по условиям работы - на работающие
при низких темп-pax, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-,
маслостойкие и т. д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней
прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом
пластичности.
Отд. классы
К. м., в свою очередь, делятся на многочисл. группы. Напр., металлич. сплавы
различают: по системам сплавов - алюминиевые, магниевые, титановые, медные,
никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной
основе и др.; по типам упрочнения - закаливаемые, улучшаемые, стареющие,
цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу
- стали аустенитные и ферритные, латуни и т. д.
Неметаллич.
К. м. подразделяют по изомерному составу, технологич. исполнению (прессованные,
тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих
элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Нек-рые К. м., напр,
сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и,
наоборот, в ряде случаев строительные материалы, напр. железобетон,
применяются
в конструкциях машиностроения.
Технико-экономич.
параметры К. м. включают: технологич. параметры - обрабатываемость металлов
давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию
горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения
и текучесть полимерных материалов при норм, и повыш. темп-pax и др.; показатели
экономич. эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэфф.
использования металла и т. п.).
К металлическим
К. м. относится большинство выпускаемых пром-стью марок стали. Исключение
составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные
стали, для нагреват. элементов, для присадочной проволоки (при сварке)
и нек-рые другие с особыми физ. и технологич. свойствами. Стали составляют
осн. объём К. м., используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном
прочности - от 200 до 3000 Мн/м2 (20-300 кгс/мм2),
пластичность
сталей достигает 80%, вязкость - 3 МДж/м2.
Конструкционные
(в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и
электрич. печах. Для дополнит, рафинировки применяются продувка аргоном
и обработка синтетич. шлаком в ковше. Стали ответств. назначения, от к-рых
требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, ваку-умно-индукционным
и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях - улучшением
кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки)
вытягиванием из расплава.
Чугуны широко
применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов,
зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих
при темп-ре до 1200 0С в окислительных средах, и др. Прочность
чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м2 (чугаль)
до 1350 Мн/м2 (легированный магниевый чугун).
Никелевые
сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000- 1100
"С. Выплавляются в вакуумно-ин-дукционных и вакуумно-дуговых, а также в
плазменных и электроннолучевых печах. Применяются в авиац. и ракетных
двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах,
и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет:деформируемых до
750 Мн/м2, литейных до 550 Мн/м2; по
удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления
корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.
Магниевые
сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали),
имеют прочность до 400 Мн/м2 и выше; применяются преим.
в виде литья в конструкциях летат. аппаратов, в автомобилестроении, в текст,
и полиг-рафич. пром-сти и др. Титановые сплавы начинают успешно
конкурировать в ряде отраслей
техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности,
коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 Мн/м2и
более. Применяются для изготовления компрессоров авиац. двигателей, аппаратов
химич. и нефтеперерабат. пром-сти, мед. инструментов и др.
К К. м. относятся
также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия,
к-рые нашли применение в различных отраслях техники (см.Бериллиевые
сплавы, Медноникелевые сплавы, Молибденовые сплавы).
Неметаллические
К. м. включают пластики, термопластичные полимерные материалы (см. Полимеры),
керамику, огнеупоры, стёкла, резины, древесину. Пластики на основе
термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганич. термопластичных
смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми,
асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях
самолётов, ракет, в энергетич., трансп. машиностроении и др. Термопластичные
полимерные материалы - полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды,
фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования,
узлах трения, работающих в различных средах, в т. ч. химически активных:
топливах, маслах и т. п.
Стёкла (силикатные,
кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления
судов, самолётов, ракет; из керамич. материалов изготовляют детали, работающие
при высоких темп-pax. 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.
Развитие техники
предъявляет новые, более высокие требования к существующим К. м., стимулирует
создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных
аппаратов используются, напр., многослойные конструкции, сочетающие в себе
лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых
объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно
снизить их массу в сравнении с металлич. конструкциями. Для многих областей
техники необходимы К. м., сочетающие конструкц. прочность с высокими электрич.,
теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
Т. к. в составе
К.м. нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность
ставших уже классическими для металлич. сплавов методов упрочнения путём
сочетания специально подобранного легирования, вы-сококачеств. плавки и
надлежащей термич. обработки снижается, перспективы повышения свойств К.
м. связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные
значения свойств, напр, предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных
и т. п. Такие материалы составляют новый класс композиционных К. м. В них
используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные
кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения,
составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного
и : прочного материала (металлич. сплавов или неметаллич., преим.
полимерных, материалов). Композиционные К. м. по удельной прочности и удельному
модулю упругости могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы
и обеспечивают экономию массы конструкций на 20-50%.
Наряду с созданием
композиционных К. м., имеющих ориентированную (ортотропную) структуру,
перспективным путём повышения качества К. м. является регламентация структуры
традиционных К. м. Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов
получают литые детали, напр, лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов,
ориентированных относительно осн. напряжений таким образом, что границы
зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными.
Направленная кристаллизация позволяет увеличить в неск. раз пластичность
и долговечность. Ещё более прогрессивным методом создания ортотропных К.м.
является получение монокристальных деталей с определённой кристаллография,
ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются
методы ориентации в неметаллич. К. м. Так, ориентация линейных макромолекул
полимерных материалов (ориентация стёкол из полиметилметакрилата) значительно
повышает их прочность, вязкость и долговечность.
При синтезировании
композиционных К. м., создании сплавов и материалов с ориентированной структурой
используются достижения материаловедения.
Лит.: КиселёвБ.А.,
Стеклопластики, М., 1961; Конструкционные материалы, т. 1 - 3, М., 1963-65;
Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, под ред. А. Т. Туманова
и К. И. Портного, М., 1967; Конструкционные свойства пластмасс, пер. с
англ., М., 1967; Резина - конструкционный материал современного машиностроения.
Сб. ст., М., 1967; Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник,
под ред. И. В. Кудрявцева, т. 1 - 5, М., 1967-69; Химушин Ф. Ф., Жаропрочные
стали и сплавы, 2 изд., М., 1969; Современные композиционные материалы,
пер. с англ., М., 1970; Алюминиевые сплавы. Сб. ст., т. 1-6, М., 1963-69.
А. Т. Туманов,
Н. С. Скляров.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я