Конструкційні матеріали

Чавунний блок циліндрів двигуна внутрішнього згоряння конфігурації V8

Корпус фотокамери Samsung NX1, виготовлений з магнієвого сплаву методом лиття

Металеві конструкційні матеріали поділяють за системами сплавів на чорні метали (сталі та чавуни) та сплави кольорових металів (алюмінієві, магнієві, титанові, мідні, нікелеві, молібденові, вольфрамові тощо).

До конструкційних матеріалів належить більшість марок сталей, що називають «конструкційними». Виняток становлять сталі, які не використовуються в силових елементах конструкцій: інструментальні сталі, сталі для нагрівальних елементів, для присадного дроту (при зварюванні) і деякі інші з особливими фізичними та технологічними властивостями. Сталі становлять основний обсяг конструкційних матеріалів, що знайшли застосування у техніці. Вони відрізняються широким діапазоном міцності — від 200 до 3000 МН/м², пластичність сталей досягає 80 %, ударна в'язкість — до 3 МДж/м².

Крім того, за методами зміцнення сталі класифікуються на: гартівні, покращувані, старіючі, цементовані, ціановані, азотовані тощо, а за структурою: аустенітні, феритні, мартенситостаріючі тощо.

Чавуни широко використовуються у машинобудуванні для виготовлення станин, колінчастих валів, зубчастих коліс, блоків циліндрів двигунів внутрішнього згорання, деталей, що працюють при температурі до 1200 °С в окиснювальних середовищах та ін. Міцність чавунів у залежності від легування становить від 110 МН/м² до 1350 МН/м² (легований магнієвий чавун).

Нікелеві та кобальтові сплави зберігають міцність до температур 1000…1100 °С. Застосовуються в авіаційних і ракетних двигунах, парових турбінах, апаратах, що працюють в агресивних середовищах тощо.

Міцність алюмінієвих сплавів становить: деформівних до 750 МН/м², ливарних до 550 МН/м², за питомою механічною жорсткістю вони значно перевершують сталі. Служать для виготовлення корпусів літаків, вертольотів, ракет, суден різного призначення.

Магнієві сплави відрізняються малою густиною (у 4 рази меншою, ніж у сталі), мають міцність до 400 МН/м² і вище; застосовуються переважно у вигляді литва в конструкціях літальних апаратів, в автомобілебудуванні, в текстильній і поліграфічній промисловості.

Титанові сплави успішно конкурують в ряді галузей техніки зі сталями і алюмінієвими сплавами, перевершуючи їх за питомими міцністю та механічною жорсткістю, корозійною стійкістю. Сплави мають міцність до 1600 МН/м² і більше. Застосовуються для виготовлення компресорів авіаційних двигунів, апаратів хімічної та нафтопереробної промисловості.

Гумові автомобільні шини

Конструкційний деревинний матеріал у виді бруса

До неметалевих конструкційних матеріалів відносяться пластики, кераміка, металокераміка, скло, гума, деревина тощо.

Неметалеві конструкційні матеріали поділяють за ізомерним складом, технологічним виконанням (пресовані, ткані, намотані, формовані тощо), за типами наповнювачів (армувальних елементів) і за характером їх розташування та орієнтації.

Пластики на основі термореактивних смол і фторопластів, армовані (зміцнені) скляними, кварцовими, азбестовими волокнами, тканинами чи стрічками, застосовують в авіації, ракетобудуванні, в енергетичному та транспортному машинобудуванні. Термопластичні полімерні матеріали — полістирол, поліметилметакрилат, поліаміди, фторопласти, а також реактопласти використовують в деталях електро- і радіообладнання, вузлах тертя, що працюють у різних середовищах.

Мінеральне (силікатне, кварцове) скло — система, що складається з оксидів різних елементів, у першу чергу оксиду кремнію SiO₂, що використовується для засклення будівель чи транспортних засобів.

З кераміки виготовляють деталі, що працюють за високих температур. Основою цих Матеріалів є порошки тугоплавких сполук типу карбідів, боридів, нітридів та оксидів. Наприклад: TiC, SiC, Cr₇C₃, CrB, Ni₃B, TiB₂, BN, TiN, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂ тощо.

У металокерамічних матеріалах (металокераміці) основою є кераміка, у яку додається певна кількість металу, що є зв'язкою і забезпечує такі властивості, як пластичність і в'язкість.

Гуми на основі каучуків з додаванням сірки та інших елементів, зміцнені кордовими тканинами, використовуються для виробництва автомобільних та авіаційних шин а також рухомих і нерухомих защільнювачів.

Деревинні матеріали — матеріали, повністю або частково виготовлені з натуральної деревини (лісоматеріали, пресована деревина, модифікована деревина, шарувата клеєна деревина та деревинні композити).

Композитний матеріал з двовісним армуванням

Композиційні матеріали являють собою композиції, що отримуються штучним шляхом з двох і більше різнорідних матеріалів, що сильно відрізняються один від одного за властивостями. У результаті композиція суттєво відрізняється за властивостями від складових компонентів, тобто одержуваний матеріал має новий комплекс властивостей. До складу композиційних матеріалів можуть входити як металеві, так і неметалеві складові.

Перспективи створення композитів конструктивного призначення пов'язані із синтезом матеріалів із елементів, що мають граничні значення властивостей за міцність, тугоплавкістю, термостійкістю тощо. В них використовуються високоміцні елементи (волокна, нитки, дріт, ниткоподібні кристали, гранули, дисперсні надтверді і тугоплавкі сполуки), що утворюють армування матеріалу, яких скріплюється матрицею з пластичного і міцного матеріалу (металевих сплавів або неметалу, переважно полімеру). Композити за питомою міцністю та питомим модулем пружності можуть на 50…100 % перевершувати сталі або алюмінієві сплави і забезпечувати зниження маси конструкцій до 20…50 %.