Материалы

Человечество на протяжении всей истории своего существования наработало огромнейший опыт обработки материалов. Работы начались еще во времена глубокой древности, с создания первых орудий труда первобытного человека. Но даже обработанный камень оставался камнем, а дерево – деревом.

С прогрессом человеческого общества совершенствовались и орудия труда. На смену каменному веку пришел медный, который сменился бронзовым и, позднее, железным веком. Появление новых материалов, таких как сталь, бетон, стекло и т.д., дало возможность создавать все более совершенные инструменты, механизмы, строения.
С развитием строительной и машиностроительной отрасли количество вариантов неметаллов постоянно увеличивалось и сейчас исчисляется тысячами названий. В данной статье мы рассмотрим наиболее широко используемые в инженерной практике, независимо от времени их появления.

Металлы

Единой четкой классификации металлов на данный момент не существует, но выделяют 3 основных типа их разновидности.

  • Количество содержания металла. Железо и его смеси с углеродом, медь и др, олово и пр элементы и т.д.
  • По типу использования: конструкционные (машиностроительные), для изготовления инструментов. К первым относятся детали разного оборудования и приборов, машин, механизмов. Второй тип включает в себя твердые металлы используемые при изготовлении инструментов.
  • Технология заготовки: простые, пригодные для прокатки/ковки (легко поддающиеся деформации).

Сталь

Сталь — важнейший продукт отрасли тяжелой промышленности. Является сплавом железа с углеродом и другими химическими элементами. Ее виды делятся по ряду параметров: составу (углеродистые и легированные), применению (конструкционные, инструментальные, с особыми физико-химическими свойствами), качеству (обыкновенные, качественные), степени раскисления (кипящие, полуспокойные, спокойные).

Углеродистая сталь

В основном используется в строительстве (содержание углерода меньше 2%), которая имеет два способа производства: горячекатаный и холоднокатаный. К ее преимуществам стоит отнести хорошие показатели как прочности, так и пластичности, способность выдерживать довольно большие нагрузки. Как пример, сталь Ст.3 – самая часто используемая при изготовлении строительных профилей и арматуры: труб, квадратов, прямоугольных профилей, уголков, швеллеров, двутавр, листовая, проволоки, стержней для армирования бетонных сооружений.

Легированная

Включает в состав легирующие элементы, такие как медь, никель, хром, в основном применяется в машиностроении, хотя нашла свое применение и в строительстве, в случаях когда нужна повышенная стойкость к коррозии. Используется в основном для производства ответственных деталей и конструкций ввиду их большой стоимости производства. Следует выделить конструкционную легированную сталь, которая широко применяется как в машиностроении.

Машиностроительные стали проходят дополнительную обработку высокими температурами, предназначены для производства корпусных конструкций, деталей механизмов и устройств. Жаропрочные стали используются для производства деталей печей, каминов, котлов, паровых турбин, роторных валов и других элементов, которые будут работать в условиях повышенных температур и других агрессивных средах. Улучшаемые стали имеют повышенную прочность и отлично переносят нагрузки переменного характера, применяются для изготовления пружин, рессор, зубчатых колес.

Чугун

Чугун — это первичный продукт металлургии, сплав железа с углеродом, первая ступень на пути превращения руды в сталь. Характерное отличие от других металлов состоит в том, что получить его возможно исключительно в литом состоянии.
Изделия из металла (оружие, монеты, кухонная посуда) производили еще в Китае V-VI века до н.э. Так как китайцы научились получать чугун с точкой плавления ниже на 100С, чем у бронзы, он получил широкое применение и распространение в Азии.
Производство получило развитие в XV-XVI веках в странах Европы. Во время правления Петра Первого, который начал серьезные реформы в металлургической промышленности, которая была направлена на военное дело (литые пушек, ядр) и начал широко применяться в архитектуре, печном деле, изготовлении предметов обихода.
В 21-м веке, несмотря на обилие новых крепких, легких и эластичных металлов, он используется в производстве художественных изделий (памятники, ограды, решетки и ворота), сантехнического оборудования (ванны, мойки, отопительные радиаторы), автомобильной промышленности (блоки цилиндров и коленвалы двигателей).
Главными качествами металла являются его прочность и твердость, при наличии хороших литейных качеств, дешевизна. В зависимости от содержания углерода и добавок, делится на несколько видов, применяемых в разных областях.

Серый чугун

Состоит из железа, кремния и углерода, с добавкой различных примесей. Детали из этого сплава имеют высокую твердость и износостойкость, прекрасно поглощают колебания при вибрации механизмов, стойко реагируют на возникающие напряжения. Широко применяется в таких машиностроительных областях как автомобиле- и станкостроении. Из него делают втулки, станины для станков, тяжелые основания, тракторные блоки, крышки подшипников, тормозные диски.

Белый

Состоит из железа и углерода, который находится в связанном виде. Как конструкционный материал применяется нечасто (истирающие плиты, валы для прокатки), основа для дальнейшей выплавки твердых металлов.

Ковкий

Его производят из белого с последующей длительной обработкой высокими температурами, вследствие чего приобретает дополнительную вязкость и эластичность. Применяется для литья сложных конструкций: карданные валы, картера, тормозные колодки, тройники, угольники, муфты, гайки, фланцы.

Чугун с высокой прочностью

Включает в состав графитные шаровидные элементы. В сравнении с другими видами обладает высокой прочностью и лучшими эксплуатационными характеристиками. Применяется для увеличения срока службы отливок, или для упрощения и удешевления производства, вместо цветных — для уменьшения стоимости деталей и сокращения расхода дефицитных металлов.

Алюминий

Соотношение прочности к весу, а также прекрасная устойчивость к коррозии и дешевизна стала ключевыми моментами к увеличению применения сплавов алюминия в этих областях. Делятся на два типа: литейные (отливки), деформируемые (в виде профиля).
В машиностроительной промышленности широко используются алюминиевые плиты, ленты, фольга, проволока, алюминиевый лист. Активная разработка и внедрение новых сплавов в сочетании с удешевлением стоимости производства существенно увеличивает использование в разных областях.
Алюминиево-магниевый сплав отличается хорошими показателем стойкости к коррозии, хорошо поддается сварке, не изменяя своих технических характеристик и применяется для сварных конструкций которые подлежат высоким нагрузкам и являются ответственной частью. Сплав алюминия и марганца имеет низкий запас прочности и хорошо поддается деформации. Широко используется в строительстве для изготовления проволоки и ограждающих конструкций на ее основе. Эти две марки относятся к группе термически необрабатываемых.
Термически обрабатываемая группа, характеризуется высокой прочностью, но плохо поддается сварке. Дюралюминий (дюраль) и авиаль — основные представители данной группы. Отличаются высокой прочностью и применяются в большинстве областей машиностроения (авиация, космонавтика, построение скоростных поездов), где большую роль играет минимизация массы конструкции. В автомобилестроении, постепенно замещает сталь, которая проигрывает в легкости и пластичности, в изготовлении каркасов, кузовов и деталей разных моторов.

Латунь

Сплавы на основе меди и цинка. Отличаются сочетанием большой прочности, хорошей пластичности и низкой чувствительности к ржавлению. В сравнении с медью, имеет меньшую стоимость, более красивый насыщенный цвет, но также имеют и меньшую тепло и электропроводимость. Латуни различаются по наличию дополнительных легирующих (двухкомпонентные, многокомпонентные) и степени обработки (деформируемые, литейные).
Двухфазные деформируемые сплавы нашли широкое применение в многих областях машиностроения где требуется повышенная стойкость к износу при продолжительном трении. В судостроении, машиностроении, авиационной промышленности – коррозионностойкие детали, нажимные и червячные винты, арматуры вкладок, вкладыши подшипников и втулок, зубчатых колес.
В строительстве большим спросом пользуются латунные трубы для транспортировки жидкостей под давлением, газа, и т.д. Ни одна стройка не обходится без крепежных элементов — латунных прутков. Высокая декоративность материала подчеркивает изящество интерьера и позволяет его использовать в изготовлении декоративных элементов, фурнитуры и жилищно-коммунальном хозяйстве для водоснабжения, отопления, канализаций.

Бронза

Состоит из сплава меди с другими компонентами, кроме цинка. Является одним из древнейших сплавов известных человечеству. Сплавы делят по видам (оловянные, безоловянные или специальные) и способам производства (поддаются деформации, литейные).
Оловянная бронза является наиболее используемым видом и применяется в машиностроительстве для изготовления узлов трения автомобилей и тракторов, токоведущих пружин, подшипников и втулок, машинные детали предназначенные для работы в соленой воде. В строительстве бронзу используют для изготовления сложной тонкостенной арматуры, фасонные части трубопроводов, бронзовые фитинги и элементы конструкций водо и газоснабжений на ответственных участках.

Неметаллы

В машиностроении и строительстве, наряду с металлами, широко применяется множество неметаллических конструкционных материалов, таких как кожа, резина, пластмасса, дерево, бетон и т.д. Использование таких материалов обусловлено в первую очередь их технологичностью и экономической выгодой их применения.

Древесина

Является возобновляемым продуктом живой природы. Отличается легкостью обработки, малой стоимостью, невысокой теплопроводностью, достаточной прочностью. Имеет широчайшие возможности по обработке и изменению своих физических свойств как физическими, так и химическими методами.
Подвергнутая уплотнению (прессованная) древесина, становится более прочной и износостойкой, прекрасно гасит вибрацию и поглощает абразивные частицы в процессе трения деталей. Применение таких модификаций как термическая обработка, ацетилирование, обработка химически активными веществами, позволяет увеличить сопротивляемость окружающей среде и биологическому разрушению, длительность хранения, огнеупорность. Эти характеристики позволили применять материал в узлах трения для бетономешалок, втулок транспортеров, вкладышей подшипников мостовых кранов, шестерней. Использование в качестве торцевой поверхности в наборных подшипниках с водяной смазкой, позволило значительно сократить расход более дорогих антифрикционных материалов, таких как баббит и бронза.
Лесоматериалы широко применяются в судостроении, это основной компонент настилов палуб, обшивки переборок и в целом корпусов суден определенных категорий.
Древесина, продукты на ее основе и комбинированные изделия широко используется в строительстве для изготовления жилищ, сборно-разборных конструкций, декорирования.

Бетон

На рынке машиностроения уверенно лидирует группа полимерных бетонов, особенностью которых является замена цемента на полиэфирные или эпоксидные смолы. Данная группа обладает уникальной способностью поглощения и уменьшения колебаний (в 10 раз больше, чем чугун), хорошей жесткостью, малой массой (в 3 раза легче стали). Используется материал для изготовления деталей станков, таких как рамы, порталы, станины.
Более нескольких десятков видов бетона применяется в строительстве, начиная от фундаментов и колонн, до ведения облицовочных работ. Особо тяжелые — для защиты от радиации в атомных электростанциях, легкие и особо легкие бетоны используются как теплоизоляционный материал. Для покрытий дорог, взлетно-посадочных полос используются дорожные бетоны, гидротехнические – при постройке плотин и бассейнов. Сборные железобетонные конструкции значительно упрощают работы по монтажу и сборке, а также положительно сказываются на сроках строительства.

Заключение

Количество материалов, применяемых в инженерной практике (в строительной и машиностроительной отрасли), постоянно увеличивается, методы и техники их применения совершенствуются, что позволяет находить новые способы применения их в инженерной практике разных производственных отраслей, дает возможность создавать все более совершенные инструменты, механизмы и строения.