Вы задумывались над тем, как из металла изготовляют такие разные вещи, как, например,
сковороды и корпуса автомобилей, механизмы для часов и корабельные винты? Процесс этот
длительный и сложный. Сначала на машиностроительных заводах из слитков и проката (см.
статью «Добыча природных веществ и превращение их в материалы») делают заготовки.
Получают их двумя способами — литьём и ковкой. Литьё подходит для производства
заготовок, или отливок, любых размеров — и маленьких, и больших. Слитки плавят в печах,
затем металл заливают в специальные формы (для каждой детали свои). Выходит отливка, по
форме близкая к будущему изделию. С помощью точного литья научились изготовлять детали,
не требующие дополнительной обработки.
Крупные заготовки, скажем для корабельного гребного вала длиной в несколько метров,
выковывают. В далёком прошлом кузнец работал молотом. Кусок предварительно нагретого на
огне, а потому мягкого металла он клал на железную наковальню и ударами молота придавал
ему нужную форму — гвоздя, подковы, тележной оси. Сейчас на заводах стоят огромные
механические и гидравлические молоты и прессы, а плоскую наковальню заменили оправки и
штампы.
Применяют и холодную штамповку, т. е. металл перед обработкой не нагревают. Так делают
крышу и днище автомобиля, колпаки на колёса, части крыльев самолёта и многие другие
тонкостенные детали.
С помощью ковки и литья получить точные размеры и нужное качество поверхности изделия
не удаётся. В отливке могут оказаться инородные вкрапления и пустоты — раковины. А
кованая деталь неизбежно покрыта окалиной.
Поэтому заготовки на следующем этапе производства поступают в механические цеха, где их
обрабатывают на станках — снимают лишний металл, шлифуют.
Детали требуются самые разнообразные: круглые и прямоугольные, плоские и
цилиндрические, с отверстиями и канавками; в одном случае поверхность нужна шероховатая,
в другом — гладкая, блестящая, как зеркало. Значит, и делать их необходимо на разных
станках.
На токарных станках изготовляют детали в виде цилиндра и конуса, с винтовой резьбой
снаружи и внутри, кольцевыми канавками и т. п. Заготовка вращается, а резец, двигаясь вдоль
или поперёк её оси, снимает слой металла. Для многотонных деталей существуют карусельные
станки. Заготовка диаметром до 25 м устанавливается на вращающийся стол, а резцы перемещаются вертикально и горизонтально, обрабатывая несколько поверхностей
одновременно.
Чтобы повысить скорость обработки, придумали поворотное устройство — револьверную (от
англ. revolve — «вращаться») головку. В ней закрепляют инструменты, которые можно менять, не останавливая станок. Станки с этим приспособлением называют токарно-револъверными.
На сверлильных станках сверлят и обрабатывают отверстия, нарезают внутреннюю резьбу и т. д. На горизонтально-расточных выполняют не только сверлильные, но и токарные и фрезерные работы. Это особенно важно, когда необходимо с высокой точностью обработать несколько поверхностей без перестановки детали.
С точностью до тысячных долей миллиметра просверливают отверстия на координатно-расточных станках. Эти чуткие машины стоят в отдельных помещениях: изменение температуры хотя бы на один градус может привести к потере точности в несколько тысячных долей миллиметра.
Когда необходимо выпустить много однотипных деталей, например болтов, гаек или шестерёнок, для нарезания резьбы используют специальные станки —резъбо- и зубонарезны 'е. Поверхности деталей сложной формы обрабатывают на фрезерных станках инструментами с множеством режущих зубьев — фреза'ми (фр. fraise). Существует
много типов фрез. Дисковыми прорезают канавки или отрезают металл; большие поверхности
обрабатывают торцевыми фрезами. Если ось инструмента располагается перпендикулярно
столу, на котором крепится заготовка, станки называют вертикально-фрезерными, если
параллельно — горизонтально-фрезерными. Крупные детали делают на продольно-фрезерных
станках одновременно четырьмя фрезами.
Чтобы получить поверхность высокой чистоты, т. е. гладкую, применяют шлифовальные
станки. Детали на них обрабатывают абразивными кругами, и поверхность становится гладкой,
почти зеркальной.
На долбёжных станках инструментом, который движется вверх-вниз (он называется долбяк),
получают канавки в отверстиях.
Строгальные станки последовательно снимают резцом слои металла. При этом перемещается
либо стол с деталью, либо резец с верхней частью станка.
На протяжных станках обрабатывают наружные поверхности деталей и отверстия (круглые,
треугольные, многоугольные) в них. При обработке внутренних поверхностей сквозь заранее
высверленное отверстие пропускают специальный режущий инструмент — протяжку. При
обработке наружной поверхности он проходит сверху. Протяжка имеет много зубьев (от 30 до
120); каждый последующий зуб чуть длиннее предыдущего и срезает «свой» слой металла.
Для обработки металла используют не только механический способ (точение, сверление,
растачивание, шлифование и т. д.), но и принципиально новые методы — электрофизические и
электрохимические. На специальных станках получают детали очень сложной формы из самых
твёрдых материалов без резания. Принцип их работы основан на сложных тепловых,
физических и химических процессах.
Существуют также станки, а вернее, целые обрабатывающие центры, которые умеют делать
несколько операций: точить, сверлить и фрезеровать. Производительность их очень высока.
Обрабатывающим центром управляет компьютер.
Но есть и другой путь повышения скорости обработки. Вместо одного универсального станка
собирают цепочку специализированных станков. Каждый делает только одну операцию, а
деталь передаётся от станка к станку ленточным или роторным конвейером (см. статью
«Роторно-конвейерные линии академика Кошкина»).
Оба эти подхода имеют свои достоинства и недостатки.

Чтобы промышленность развивалась успешно, нужна не только совершенная техника, но и талантливые организаторы производства. Расцвет российской нефтяной индустрии начался с появлением на промыслах в Баку братьев Нобель. А началось всё с неудачной поездки одного из братьев, Роберта, на Кавказ в поисках орехового дерева для ружейных прикладов. Подходящего товара он не нашёл, но, возвращаясь в Петербург, заехал в Баку и загорелся новой идеей...
Семья шведских изобретателей и предпринимателей Нобель к тому времени была хорошо известна в России. Эммануэль Нобель (1801 — 1872), инженер и промышленник, с тремя малолетними сыновьями — Робертом (1829—1896), Людвигом (1831 — 1888) и Альфредом Бернхардом (1833—1896) — переехал на жительство в Россию в начале 40-х гг. XIX столетия по приглашению великого князя Михаила Павловича, брата императора Николая I. Великий князь по достоинству оценил подводные мины, изобретённые Нобелем. Российское правительство вручило шведскому инженеру 25 тыс. рублей золотом и предложило наладить производство этого оружия в Петербурге. Эммануэль Нобель основал здесь механический завод. В 1859 г. семья Нобель вернулась на родину. Только Людвиг, средний сын Эммануэля, решил остаться и открыть собственное литейно-механическое дело. Его начинанию сопутствовал успех. Появились заказы, в том числе правительственные, связанные с производством оружия. Вскоре Людвигу потребовался надёжный помощник, и он уговорил Роберта снова переехать в Петербург.
Такова предыстория возникновения в 1879 г. знаменитого «Товарищества братьев Нобель», совершившего в нефтяной индустрии России революцию. В создании товарищества вместе с Людвигом и Робертом участвовали третий брат — Альфред Нобель, изобретатель динамита и учредитель Нобелевской премии, ставшей самой престижной наградой XX в., а также их друг детства Пётр Бильдерлинг.
Необычность подхода к делу проявилась уже на первых этапах организации работ. Как правило, главная забота новоиспечённого владельца нефтяного поля — максимально быстро получить прибыль. А значит, нужно не откладывая качать нефть из недр, извлечь её как можно больше и продать в кратчайший срок Нобели поступили по-иному. Их интересовали не количественные показатели, а качество конечного продукта, которым тогда был керосин. Братья приобрели вместе с промыслами небольшой керосиновый завод и вложили в его реконструкцию дополнительные деньги. В итоге керосин получился такой высокой степени очистки, что превзошёл по качественным показателям американский, наиболее популярный в то время на российском рынке. Затраты на создание принципиально новой системы непрерывной перегонки нефти вскоре полностью окупились. В честной конкурентной борьбе Нобели одержали верх над Дж Рокфеллером, американским нефтяным королём, и вынудили его искать новые рынки сбыта своей продукции. Но керосин, сколь бы хорош он ни был, нужно ещё доставить потребителю. И Нобели начинают создавать по всей стране перевалочные базы и складские помещения. Едва развернув своё дело, имея в Баку лишь восемь маломощных скважин да небольшой нефтеперегонный завод, они уже тогда думали о завтрашнем дне. В Царицыне (ныне Волгоград) был построен современный складской комплекс. Здесь керосин, доставлявшийся баржами по морю и по Волге, перегружали в громадные резервуары и затем развозили по железной дороге. Средства транспортировки нефтепродуктов ещё одна постоянная забота. Первое в мире нефтеналивное металлическое судно «Зороастр», первые в России железнодорожные вагоны-цистерны, металлические баржи, первый нефтепровод — всё это результат цивилизованного хозяйствования товарищества. Тогда же появились и металлические резервуары для хранения нефтепродуктов (спроектированы будущим известным архитектором В. Г. Шуховым). Это было удобно и экономически выгодно, поскольку ранее нефть заливали в деревянные бочки и оставляли в земляных ямах, что вело к её потерям и загрязнению окружающей среды. На нобелевских промыслах — опять же впервые — стали использовать попутные нефтяные газы: их сжигали в топках паровых машин. Позднее, по мере развития техники, на скважинах появились газовые и нефтяные двигатели. Первые электродвигатели и эффективные методы борьбы с нефтяными выбросами из скважин тоже достижения «Товарищества братьев Нобель». Эммануэль Людвигович Нобель (1859—1932), ставший после смерти отца руководителем товарищества, наладил на Петербургском механическом заводе массовое производство дизельных моторов и, опережая время, оснастил ими свой нефтеналивной флот. Именно он
предложил называть суда с дизельным двигателем теплоходами.
Недалеко от шоссе Энтузиастов в Москве, в проезде Завода «Серп и Молот», именовавшемся
раньше Проломным проездом, до революции располагались склады Московского отделения Товарищества. В 1994 г., в день 115-летия учреждения «Товарищества братьев Нобель», в
соответствии с постановлением правительства Москвы там был установлен памятный знак
Потомки с благодарностью вспоминают об огромном вкладе семейства Нобель в экономику
России.

Под общим термином «конструкционные» понимают материалы (в первую очередь металлы),
предназначенные для изготовления различных конструкций, деталей машин и механизмов.
Требования к свойствам этих материалов определяются условиями, в которых они
используются. Ведь технические средства работают повсюду: на песчаных просторах пустынь
и во льдах Крайнего Севера, в океанских глубинах, в космосе и в сложных, порой
экстремальных условиях — под воздействием химических реактивов и радиации. При этом
желательно, чтобы материалы были недорогими и легко поддавались обработке.
Из конструкционных материалов наиболее распространено железо. Точнее, не само железо
(поскольку оно не обладает достаточной твёрдостью), а сплавы на его основе: чугуны и стали.
В современном машиностроении из них изготовляется порядка 80—85% всех деталей, да и
добывается железа в 20 раз больше, чем всех остальных металлов вместе взятых.
Стали и чугуны — это сложные сплавы железа с углеродом (в сталях его от 0,01 до 1,5%, в чугуне — от 2 до 6,7%) и легирующими (от нем. legieren — «сплавлять»)
добавками, которые вводят для улучшения конструкционных качеств. Например, если в стали
содержится более 12% хрома,
она становится нержавеющей; 18% хрома и 9—10% никеля позволяют выдерживать кипячение
в растворах азотной и фосфорной кислот. Введение в броневые стали 4% молибдена повышает
их сопротивление к пробиванию снарядами в 3 раза (это обнаружили на Путиловском заводе
ещё в конце XIX в.). Если же в сталь добавить всего 0,1—0,2% ванадия, то прочность её
увеличится на 50%.
Помимо легирования используют и другие способы изменения свойств материалов. Например,
сплавы нагревают до 1000 °С и более, а потом быстро охлаждают в водяной или масляной
ванне. В результате такой термообработки (её называют закалкой) сталь приобретает
повышенную прочность и твёрдость.
Важное значение для производства имеют также технологические свойства материала:
способность свариваться, заполнять в жидком состоянии литейную форму, деформироваться
при штамповке и подвергаться обработке на металлорежущих станках. Ведь если материалы
окажутся слишком твёрдыми, резцы станка просто сломаются.
Для сталей, используемых в производстве фасонных профилей и особенно штампованных
деталей, важнейшим свойством является пластичность, т. е. способность изменять свою форму
не разрушаясь. Стали с мелким зерном и небольшим содержанием углерода (до 0,7%) лучше
всего штамповать, а стали, в состав которых входит 0,25% углерода, хорошо свариваются.
Существуют специальные стали для обработки на автоматических металлорежущих станках
(так называемые автоматные стали). Твёрдость их (до закалки) невысока: это позволяет
обрабатывать металл с большой скоростью. Стружка такой стали получается мелкая, её легко удалять. Резцы, фрезы, штампы делают из инструментальных сталей, среди которых наиболее распространена сталь быстрорежущая. Название стали отражает её назначение: броневая, судостроительная, орудийная, котельная, рессорная, жаропрочная и т. д. Из сплавов на основе железа наилучшими литейными свойствами обладает чугун. При застывании чугун немного расширяется и заполняет все самые мелкие детали формы. Из него отливают и станины станков, и всевозможные художественные изделия.
В электротехнике царствует медь, которая обладает наименьшим после серебра электрическим сопротивлением, легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку, хорошо паяется и сваривается. Из меди делают провода, контакты и другие детали электроустановок. Сплав меди с оловом — бронза — сыграл столь важную роль в судьбе человечества, что период его широкого применения получил название «бронзовый век». Бронза упруга, хорошо сопротивляется трению и выдерживает переменные нагрузки. Из неё изготовляют мембраны и пружины, подшипники скольжения и детали зубчатых передач. Ну а «музыкальные способности» бронзы издавна используют при отливке колоколов.
Латунь (сплав меди с цинком) тоже достаточно древний материал. За жёлтый цвет его в старину называли «фальшивое золото». Эти сплавы превосходят медь по прочности. Латуни обладают высокой стойкостью к воздействию воды, в том числе морской, а потому их используют в судостроении.
Алюминий — металл наиболее распространённый: в земной коре его содержится 8,8%. И сам он, и его сплавы очень легки, хорошо проводят электричество и тепло, устойчивы к коррозии. Сплавы алюминия пластичны, хорошо обрабатываются давлением и свариваются, а некоторые (силумины) обладают прекрасными литейными свойствами. Из них отливают детали двигателей внутреннего сгорания, корпуса насосов, делают провода. Это основной материал для авиации и ракетной техники. Если алюминий подешевеет в 5—10 раз, то он начнёт интенсивно вытеснять сталь и другие сплавы железа.
Детали из титана внешне напоминают стальные, но почти в два раза легче. По прочности титан не уступает сталям и плавится при более высокой температуре. По содержанию в земной коре он стоит среди металлов на четвёртом месте после алюминия, железа и магния. В морской воде титан служит в сотни раз дольше нержавеющей стали, его не разъедает «царская водка» (смесь соляной и азотной кислот), растворяющая даже «царя металлов» — золото. Титан хорошо деформируется при штамповке и сваривается, хотя довольно трудно обрабатывается резанием.
Из титановых сплавов изготовляют детали обшивки и двигателей самолётов, ракет (на один только аэробус уходит более 40 т титановых сплавов). Из них же делают ёмкости для продуктов и агрессивных сред, корабельные винты, корпуса судов и подводных лодок. Чистый титан при контакте не разлагает кровь и не отторгается тканями живого организма, поэтому из него делают фиксаторы костей и различные протезы, в том числе искусственные клапаны сердца.
Авиация, ракетно-космическая техника и многие другие отрасли требуют лёгких и в то же время прочных материалов. Сплавы на основе алюминия и магния при малом весе не имеют достаточной прочности, а прочные легированные стали слишком тяжелы. Не всегда спасают титановые и даже ещё более прочные бериллиевые сплавы. Объединить их ценные свойства удалось в композитных материалах (см. статью «Нанотехника — технология настоящего и будущего»). Они образуются из сочетания нескольких разнородных материалов и обладают свойствами, которых не имеет ни один из компонентов. Наиболее известный пример такого материала — автомобильная покрышка. Каркас (арматура) из тонкой и прочной проволоки, введённый в резиновую массу, воспринимает основные нагрузки и сохраняет форму изделия. Аналогичны по строению и материалы с металлической матрицей, в частности детали из алюминия, армированные тонкой стальной проволокой. Они сочетают малый вес с высокой прочностью. Помимо металлов и их сплавов для армирования композитных материалов широко применяют углеродные, борные, стеклянные, полимерные и другие волокна, а также нитевидные кристаллы (так называемые усы), обладающие на сегодняшний день наивысшей прочностью.
Композитные материалы на основе полимеров и всевозможные пластмассы всё чаще заменяют металл. Низкая теплопроводность, высокая коррозионная и химическая стойкость, превосходные электроизоляционные свойства позволяют им занимать прочное положение в ряду самых разнообразных конструкционных материалов.

Чтобы построить, скажем, дом, плотину, причал или мост, необходимы камень и щебень. Эти
природные материалы добывают в карьерах (раньше их называли каменоломнями). Стены
складывают из белого и красного кирпича. Белый силикатный кирпич получают прессованием
смеси кварцевого песка и гашёной извести.
Практически ни одно современное строительство не может обойтись без цемента. Цементом,
смешанным с песком и водой или водными растворами солей, соединяют кирпичи и бетонные
блоки. А сами блоки изготовляют из смеси цемента, доменных шлаков и гравия. Если в
бетонные конструкции заложить стальную арматуру (от лат. armatura — «вооружение»,
«снаряжение»), получится прочный железобетон.
Дерево в виде досок, фанеры, балок и брусьев — замечательный строительный и
конструкционный материал. Одни из самых массовых потребителей лесного сырья —
комбинаты, производящие целлюлозу — сырьё для бумаги. Только для изготовления обычных
школьных тетрадей каждый год вырубаются целые еловые и сосновые леса.
За последние сто лет в мире было произведено столько материалов, сколько за все
предшествующие тысячелетия. Научные исследования позволили существенно улучшить свойства уже известных материалов и создать тысячи новых,
которых не знала природа.
Однако чем больше материалов человек получает, тем больше требуется для этого сырья —
руды, песка, глины, угля, камня, нефти, древесины и даже воздуха. А на поверхность земли, в
воду и воздух попадает огромное количество отходов — пустой породы, металлической и
цементной пыли, химических растворов, токсичных газов, лигнина.
Природа уже не справляется с «переработкой» отходов производства. Это один из факторов,
которые ограничивают рост промышленности (см. статью «Завещание президента Римского
клуба»). Второй заключается в том, что земные ресурсы ограничены.
С каждым годом производство техники, а значит, и добыча природного сырья во всех странах
мира быстро растут. Поэтому люди стараются, как могут восполнить потери природы. Вместо
вырубленных выращивают новые леса, использованную на заводе воду стараются очистить. Но
не все виды сырья можно восстановить. Всё ощутимее угроза истощения залежей руд ценных
металлов, быстро сокращаются запасы нефти и газа. Учёные, инженеры и экономисты уже
сегодня работают над проектами, которые позволят обеспечить существование человечества,
когда месторождения полезных ископаемых полностью иссякнут.