Конструкционные материалы: классификация, свойства, применение

Производство металлоконструкций, как и конструкций в целом, невозможно без качественных деталей. Для их изготовления используются конструкционные материалы — элементы, воспринимающие различные механические нагрузки. Сфера их применения широка: от возведения дачного дома до ракетостроения. 

Классификация конструкционных материалов 

По основному признаку — природе вещества — конструкционные материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные (смешанные). К металлическим относятся чистые металлы и сплавы. К неметаллическим — древесина, горные породы, резина, полимеры. Композиционные материалы комбинируют вещества разных типов: железобетон, стеклопластик. 

Металлы широко используются в строительстве и промышленности — это один из главных конструкционных материалов. Чистые металлы (железо, медь, магний, алюминий, титан) в основном не отвечают требуемым критериям эксплуатации, поэтому производители используют сплавы с улучшенными свойствами: сталь, чугун, латунь и бронзу, сплавы алюминия, магния.

Классифицировать металлы можно по следующим свойствам:

• Технологические свойства. Деление по технологии исполнения. Металл характеризуется ковкостью, возможностью литья, свариваемостью, обрабатываемостью резанием. 
• Механические свойства. Обозначают у металла способность сопротивления внешним нагрузкам. К этим свойствам относятся критерии прочности и удельной прочности, пластичности, твердости, упругости, ударной вязкости, выносливости.
• Эксплуатационные свойства. Разделение по условиям эксплуатации материала. Износо–, жаро– и хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность. 
• Химические свойства. Химическая стойкость, коррозионная стойкость. 

Металлические конструкционные материалы производятся и обрабатываются с учетом условий, в которых готовые металлоконструкции будут эксплуатироваться в дальнейшем: в агрессивных средах, при экстремально низких или высоких температурах, с различными нагрузками. Комплекс свойств, которые обеспечивают качественную работу материала в требуемых условиях, называют «конструкционной прочностью материала» — критерии прочности, надёжности и долговечности. Прочность характеризует способность металла противостоять деформации (искажению формы). Надежностью называют сопротивляемость хрупкому разрушению, которое опасно крупными авариям. Критерий долговечности отражает скорость разрушения изделия от постепенно накапливающихся повреждений.  

Для улучшения конструкционной прочности металла используются легирующие элементы (добавление в металл других металлов и неметаллов), а также термические или термомеханические обработки, измельчение зеренной структуры, наклеп для поверхностного упрочнения.

Свойства металлических конструкционных материалов 

Сталь. Сталь — самый применяемый сплав, благодаря экономичности производства. Это сплав железа с углеродом, в который добавляют вредные примеси (получаются углеродистые стали) или легирующие элементы (легированные стали). Среди легированных можно выделить специальные стали: нержавеющие — с высокой коррозионной стойкостью, жаростойкие — выдерживающие до 1100 °С, износостойкие — твердые и долговечные. 

Прочность разных типов стали: от 200 до 3 000 МПа. Стали обладают ковкостью и свариваемостью, неплохой способностью к литью и резке. Легированные стали выдерживают предельно низкие температуры — до -150 °С. Стали с добавлением никеля приобретают высокие значения ударной вязкости, за счёт чего надежны при колебаниях внешних нагрузок.

Чугун. Другой повсеместно употребляемый конструкционный материал — чугун, так же сплав железа с углеродом. Прочность чугуна лежит в диапазоне между 110 и 1350 МПа. Чугун не подвергается ковке, однако обладает хорошими литейными свойствами. Металл подходит для работы при больших температурах в окислительной среде. 

Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы отличаются высокой удельной прочностью (отношение прочности к плотности), что важно для производства деталей малого веса. Предел прочности составляет 550 МПа — у литейных, 750 МПа — у деформируемых. Сплавы алюминия характеризуются высокой электропроводностью и сопротивлением ржавлению. Дуралюмины хорошо деформируются (куются, прессуются) и подвергаются сварке, силумины имеют точную отливку. Изделия из сплавов не теряют эксплуатационных свойств при температурах до -200 °С.

Чистый магний сплавляют с алюминием, цинком и другими металлами. Полученные сплавы имеют прочность выше 400 МПа и невысокую плотность, из-за чего являются самым легким конструкционным металлом. 

Титан. Прочный (до 1600 МПа) и коррозионно-стойкий материал — титан. При добавлении легирующих элементов (алюминия, хрома) титановые сплавы приобретают ряд полезных свойств: повышенная удельная прочность, пластичность, жаропрочность и хладостойкость (от минус 250 °С до плюс 500 °С). 

Медные сплавы. Сплавы из меди — латунь, бронза — отличаются высокой теплопроводностью и электропроводностью, значительной коррозионной стойкостью, способностью переносить температуру до минус 200 °С. Литейные латуни и бронзы обладают хорошей жидкотекучестью и применяются для изготовления деталей способом литья. Деформируемые сплавы меди удачно подвергаются ковке. 

Сферы применения 

Сталь применяется в разных областях строительства и промышленности: обыкновенную сталь используют для малонагруженных деталей механизмов и строительных конструкций, качественные и высококачественные стали эксплуатируют в машиностроении, высококачественные — в медицине, авиастроении и космонавтике.

Из чугуна создают большие детали сложной формы: коленчатые валы, зубчатые колеса, станины станков и прессов, корпуса редукторов, цилиндры ДВС. 

Сплавы магния эксплуатируются в автомобилестроении, судостроении, производстве самолётов и ракет (а ещё в полиграфической промышленности). В тех же областях применяют и алюминиевые сплавы. Дуралюмины и силумины также используются для изготовления деталей, которые будут подвержены сильным нагрузкам, высокой температуре (до 250 °С), воздействию агрессивной среды. 

Титан, помимо сфер самолето–, судо– и ракетостроения, используется в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. 

В агрессивных средах — газовых, водных, химических — применяют латунь, бронзу. Сплавы меди также употребляют для изготовления деталей сложных форм. Чистую медь эксплуатируют в электротехнической промышленности. 

Таким образом, металлами и сплавами пользуются в разных областях возведения металлоконструкций. Изготавливаются металлоконструкции на заказ с учётом возможностей и характеристик материала.