КОНСТРУКЦИОННЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Понятие конструкционных и строительных материалов охватывает множество различных материалов, применяемых для изготовления деталей конструкций, зданий, мостов, дорог, транспортных средств, а также бесчисленных других сооружений, машин и технических изделий. Возможность создания какой-либо конструкции и ее работоспособность зависят от наличия материалов с подходящими механическими свойствами. Например, для изготовления современного автомобиля необходимы легированные стали, а металлический самолет стал реальностью лишь с появлением технологичных и прочных алюминиевых сплавов. Для гидроэлектростанций необходимы те сорта бетона и цемента, из которых можно построить долговечные плотины. Современные высотные здания выглядели бы по-другому, если бы не было стеклянных материалов.

Историю культуры часто делят на каменный, бронзовый и железный века – по тем материалам, из которых изготавливались орудия труда и оружие. В наши дни в распоряжении конструктора имеется широкий спектр материалов: чугуны, стали и сплавы цветных металлов, керамические, каменные материалы, бетон, стекло и полимеры. Разработка и применение таких материалов – профессиональное занятие инженера-технолога и инженера-конструктора.

ЧУГУНЫ И СТАЛИ

Серый чугун, содержащий 3,5–4% углерода, около 1% кремния и столько же марганца, – самый распространенный в мире литейный материал, применяемый для изготовления блоков и головок цилиндров, редукторных корпусов, тормозных барабанов, станин металлорежущих станков и многих других изделий.

Белый чугун представляет собой более твердую форму серого с содержанием 2,5% углерода, менее 1% кремния и менее 1% марганца. Углерод входит в состав чугуна в виде карбидов (цементита). Белый чугун весьма тверд, но, как и серый, малопластичен. Он используется в основном в качестве износостойкого материала, например для шаров и броневых плит мельниц, размалывающих минералы. Белый чугун можно термообработкой превратить в т.н. ковкий чугун. Ковкий чугун гораздо более пластичен, чем серый и белый, но менее прочен и не так тверд. Ковкие чугуны применяются в основном для сложных отливок, таких, как трубопроводная арматура, цепи, крепеж для строительных лесов. Высокопрочные чугуны получают из серых путем модифицирования их кристаллической структуры для получения шаровидного графита. Чугун с шаровидным графитом широко применяется в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи и т.д.), в металлургии (изложницы), в тяжелом машиностроении (детали турбин, прокатные валки), в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении.

Самый распространенный вид стали, применяемой в строительстве зданий и мостов, – это конструкционная сталь, содержащая 0,1–0,25% углерода и легирующие элементы, такие, как марганец и кремний, в количествах менее 1%. Предел текучести таких сталей свыше 250 МПа, предел прочности при растяжении свыше 450 МПа. Относительное удлинение, как правило, больше 20%. Тонколистовые стали для автомобильных кузовов и бытовой техники содержат лишь около 0,05% углерода. Они менее прочны, нежели конструкционные стали, но более пластичны, что позволяет обрабатывать их методами холодного штампования и высадки. В процессе формообразования их прочность повышается (деформационное упрочнение), чем компенсируется влияние пониженного содержания углерода. Содержание примесей контролируется, в частности, содержание серы и фосфора поддерживается на уровне ниже 0,02%, при котором эти элементы не снижают вязкости и пластичности материала.