Конструкционные металлы и сплавы

Конструкционные материалы – это такие вещества, которые ложатся в основу изготовления станков, машин и техники, испытывающей большие нагрузки. Конструкционные материалы используют в строительстве и машиностроении. Из них изготавливают детали, которые подвергаются статическим, динамическим нагрузкам и вибрациям. Из всей обширной группы конструкционных материалов выделяются металлы. В статье рассмотрим особенности, которыми должны обладать такие металлы и их виды. 

Какими свойствами обладают конструкционные металлы

Основные требования к металлам этого класса: 

• Прочность. Большинство сплавов испытывают высокие нагрузки, поэтому крайне важно, чтобы они их выдерживали.
• Жесткость. Для ряда инженерных конструкций важно сопротивление деформациям. Жесткость – это свойство материала не менять свою форму под воздействием давления и других сил.
• Долговечность. Так как из конструкционных металлов часто производят строительные конструкции, например, элементы зданий, мостов, то крайне важно, чтобы они не подвергались коррозии, выдерживали солнечные лучи, влияние осадков и прочие воздействия.

Это общие характеристики, но особенность этого класса сплавов в том, что их специально разрабатывают под индивидуальные требования и особенности. То есть, если требуется жаропрочная сталь, то туда добавляют алюминий, хром и кремний. Если нужна кислотостойкая сталь, то следует добавить побольше хрома и никеля. Если нужен пищевой алюминий, то обходятся без добавок и берут чистый металл, марку А5. Для морозостойкости часто в качестве основы сплава берут титан. 

Таким образом, характеристики конструкционных металлов очень обширны. Их состав индивидуально разрабатывается с учетом условий эксплуатации. Если планируется повышенная или экстремально низкая температура окружающей среды, высокая влажность, контакт с агрессивными растворами, то используются специализированные сплавы. 

На основе множества характеристик появилось такое понятие как «конструкционная прочность». Под этим термином понимаются не только физические свойства, но и химическая устойчивость. Это общий показатель того, насколько материал соответствует инженерным требованиям и подходит для создания конструкций. 

При выборе материала важно смотреть также на такие характеристики: предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение и сужение, ударная вязкость, предел выносливости, хрупкость. Все эти показатели определяются путем проведения испытаний – образец конструкционного сплава подвергается различным механическим и химическим воздействиям. И только после комплексного изучения данная рецептура сплава одобряется и используется для изготовления материалов. 

Изменить свойства конструкционного сплава можно несколькими способами: 

• Ввести в расплав легирующие добавки, изменяющие или улучшающие физические и химические свойства материала.
• Подвергнуть заготовку или уже готовую деталь химической, механической или термической обработке. Например, закалка, давление, выдержка заготовки в реагентах, механический наклеп, измельчение зерен, пластическое деформирование, отжиг и проч.

После обработки важно оценить изменения, которые произошли в кристаллической решетке металла. По структуре сплава видно, какими механическими свойствами обладает металл. Например: если сталь прошла через закалку, то ее структура приближается к аустениту, повышается твердость, прочность, устойчивость к коррозии и механическим воздействиям.

Какие бывают конструкционные металлы – классификация

Все конструкционные металлы делятся на черные и цветные. К черным относятся сплавы на основе железа – стали и чугуны. А к цветным – сплавы из меди, алюминия и других металлов. Среди цветных металлов самыми распространенными являются сплавы на основе меди – это бронзы и латуни.

Чтобы понимать, что из себя представляют конструкционные сплавы, нужно сравнить их с другими категориями. Какими еще бывают металлы, если они не конструкционные? Например, инструментальные. Чаще всего это нержавеющие стали, которые имеют высокую прочность и хорошо поддаются заточке. Также есть сплавы для нагревательных элементов и присадочной сварочной проволоки, для изготовления электродов – это совершенно другие материалы, которые нельзя использовать как конструкционные. 

Возвращаясь к конструкционным металлам, рассмотрим, по каким параметрам происходит их классификация:

• По способу производства. Различают изделия, выполненные прокатом, литьем, ковкой, прессованием, штамповкой, сваркой. 
• По условиям эксплуатации. Все металлы можно разделить на жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие, пищевые и проч.
• По прочности – малая, средняя, высокая.
• По основному компоненту в основе сплава. Есть железные сплавы, алюминиевые, медные, титановые, вольфрамовые, никелевые и проч.
• По типу обработки. Рассматривается то, какому виду упрочнения они подверглись. Увеличение прочности возможно после закалки, цементации, азотирования и других методов обработки.
• По структуре. Этот параметр классификации больше всего подходит для конструкционных сталей, у которых может быть разная структура – феррит, аустенит, мартенсит. 

Рассмотрим более подробно основные конструкционные металлы и сплавы.

Чугуны

Железо с небольшим процентом углерода в составе. Чугуны используют как сырье для выплавки сталей, а также в станкостроении и машиностроении. Если добавить в состав немного графита, получится «серый» чугун, он очень хорошо показал себя при изготовлении деталей (втулок, станин станков), поглощающих колебания. Если взять обычный российский трактор, то ⅕ всех частей – из серого чугуна.

Также у чугунов отличная износостойкость. Они не стираются, не деформируются, благодаря чему из них производят подшипники, тормозные диски и прочие элементы, которые регулярно вступают в контакт с другими деталями. При этом используется в основном литой чугун.

В строительстве чугун используют там, где не очень важна его хрупкость. Например, из него изготавливают конструкции на болтах, применяют при создании канализационной системы. Также чугун отлично поддается ковке, но это уже не конструктивное значение, а художественно-декоративное.

Стали

Это сплавы с основой из железа и большим количеством легирующих добавок. Стали можно разделить на машиностроительные и строительные, они же арматурные – они отлично поддаются сварке. 

Стали различаются по назначению – общие и специальные. Вторая категория делится на подклассы по особенным свойствам, например, жаропрочные или кислотостойкие.

Конструкционные стали бывают углеродистыми и легированными. В углеродистых содержится не более 2,14% углерода. А в легированных – разные добавки, например, кремний, хром, марганец, никель, кобальт, молибден, вольфрам и проч. 

Стали активно используются для строительства, машино- и станкостроения.  

Алюминий

Алюминий значительно легче, чем чугуны или стали. Именно из-за этого алюминиевые сплавы используются в качестве конструкционных там, где важна малая масса. Пожалуй, это самый востребованный металл, он находит применение практически во всех сферах производства – от сельского хозяйства до ракетостроения.

Алюминий хорошо обрабатываются. Есть множество сплавов, в том числе с высокой прочностью. Существующие разновидности конструкционного алюминия: 

• Литейный, например, АК7.
• Деформируемый. Для проката, формовки, штамповки и ковки, например, АМг2.
• Первичный, например, А7.
• Сплавы с добавлением одного или нескольких элементов, например, дюралюминий Д16. 

Алюминий имеет высокий показатель теплопроводности и устойчивость к коррозии. Не самая высокая прочность с лихвой окупается другими свойствами – малым весом, хорошей эластичностью. 

Бронзы

В основе бронзы медь и около 2,5% других легирующих добавок, исключая цинк и никель. Потому что медь с цинком – это латунь, а медь с никелем – мельхиор. 

Если оценить всю историю человечества, то бронза – самый часто используемый людьми сплав. Из нее делали очень много вещей – инструменты, конструкции, статуи, предметы быта, детали станков и машин. 

У бронзы при высокой устойчивости к коррозии и прочности относительно низкий коэффициент трения, поэтому из сплава часто изготавливают подвижные детали. Например, до того, как начали массово использовать подшипники, раньше роль вставок в подвижных узлах выполняла бронза.

Все конструкционные бронзы можно разделить на оловянные и безоловянные. С оловом такая ситуация: если его немного, то бронза остается пластичной, но если повысить его количество до 20%, то сплав станет хрупким. В безоловянные бронзы часто добавляют алюминий или бериллий. 

Латуни

Латунь – второй конструкционный сплав на медной основе. Кроме меди, основополагающее значение имеет в составе цинк. Другие легирующие добавки – небольшое количество олова, свинца, марганца и алюминия.

Стоимость латуней достаточно низкая, что благоприятно сказывается на ее использовании. Также к преимуществам можно отнести: 

• привлекательный внешний вид;
• устойчивость к коррозии;
• долговечность. 

Очень распространены латунные трубопроводы и изготовление крепежного инструмента из латуни. Втулки и подшипники, устойчивые к истиранию, также производят из этого сплава, используя преимущественно марки с добавлением олова. Благодаря тому, что латунь устойчива к соленой воде и коррозии, ее используют в судостроении. 

Класс конструкционных металлов и сплавов регулярно пополняется. Ученые постоянно создают материалы с улучшенными прочностными характеристиками. Благодаря этому, инженеры могут возводить здания, строить суда, машины и станки с улучшенными свойствами при меньших расходах, а также при небольшой массе составляющих.

Конструкционные металлы – основа практически всех направлений производства и отраслей. Следующее направление развития – композиционные материалы с добавлением металлов и сплавов.