Алмаз — самый твёрдый минерал на Земле. Недаром его название происходит от греческого
слова «ада'мас» — «несокрушимый», «непобедимый». С помощью алмаза режут и шлифуют
любые, самые твёрдые материалы.
Камень этот очень редкий (годовая добыча поместится в одном грузовике) и на мировом рынке
стоит во много раз дороже золота. С незапамятных времён огранённые алмазы — бриллианты
— восхищали и притягивали людей чудесным блеском и прозрачностью. Крупные алмазы
украшали короны императоров и царей, считались символами богатства и власти.
Однако ювелирные украшения можно делать не более чем из пятой части всех добываемых
алмазов. Основное назначение драгоценного камня, как ни странно, техническое. Уже в
Древнем Египте люди научились изготовлять из него особо прочные инструменты. С их
помощью мастера вырезали рисунки даже на граните. Сегодня только в России выпускают
около 5 тыс. видов алмазных инструментов. Алмазами обрабатывают детали с высокой
точностью, получают прекрасное качество их поверхности, поэтому долговечность машин и
механизмов увеличивается. Например, когда трущиеся части автомобильного двигателя стали
шлифовать алмазными, а не абразивными кругами, пробег машины значительно увеличился. На
алмазных кругах начали затачивать твердосплавные инструменты (свёрла, фрезы, резцы), и их
прочность возросла более чем в десять раз, так как при обработке алмазами на поверхности не
остаётся дефектов, которые приводят к быстрому разрушению инструмента. Станки с
алмазными резцами работают без наладки и регулировки в десятки и сотни раз дольше, чем с
обычными.
Об особой прочности этого камня говорит и такой факт. Алмазным стеклорезом с кристаллом
всего в один карат (200 мг) можно провести на стекле царапину длиной почти 400 тыс.
километров — это расстояние от Земли до Луны.
Алмазными долотами бурят глубокие скважины в твёрдых породах. Свёрла с режущей
алмазной кромкой сверлят бетон в 8 раз быстрее твердосплавных и служат раз в 90 дольше.
Незаменим алмазный инструмент при обработке камня и стекла.
В производстве тончайшей, диаметром до 0,01 мм, вольфрамовой проволоки для электрических
ламп накаливания (а вольфрам — металл очень твёрдый) широко применяются алмазные
волоки. (Волока — твёрдая пластинка с отверстием; через него протягивают металл и получают
проволоку.) Сверлить отверстия в алмазе всегда было задачей трудной, но их в доли секунды
пробивают лазерным лучом (см. статью «Лазерная техника и технология»). Алмазные волоки
позволяют получать проволоку, точно соответствующую заданным размерам, а это значит, что
срок службы лампочки увеличивается. В России производство алмазных волок было начато
благодаря усилиям Константина Сергеевича Станиславского (сценический псевдоним,
настоящая фамилия Алексеев; 1863—1938), одного из основателей Московского
художественного академического театра. Его семья владела фабрикой по производству
канители — тонкой золотой и серебряной нити для вышивания.
Из всех технических алмазов 75% используют в виде мелких порошков и паст. Ими полируют
детали часов (рубиновые и сапфировые подшипники), каналы алмазных и твердосплавных
волок, с их помощью огранивают бриллианты, обрабатывают поверхности штампов и т. д.
Алмазы нужны также для изготовления измерительных приборов, стоматологических
инструментов, даже пилок для маникюра; ими распиливают на тончайшие пластины кристаллы
германия и кремния. Алмаз — незаменимый технологический материал.

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.

Многие материалы изготовляют на основе силикатов (от лат. silex — «кремень») — окиси кремния, из которой почти полностью состоит обыкновенный песок. Если добавить в него соли металлов и всё это переплавить, то получится стекольная масса. Из горячего жидкого стекла выдувают баллоны электрических лампочек, бутылки и тонкую посуду. Из густой стекольной массы отливают или штампуют более грубые изделия, например, электрические изоляторы. Из неё делают даже заготовки строительных деталей (труб, панелей, оконного стекла): продавливают стекольную массу сквозь щели нужного сечения, а потом прокатывают между валками.
Полученное стекло различается по оптическим, химическим и прочим свойствам. В технике широко применяют кварцевое стекло: оно хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи и не трескается при резком изменении температуры. Жидкое стекло (знакомый многим силикатный клей) используют в строительстве для гидроизоляции. Когда в 1929 г. российским мастерам удалось наладить производство особо прозрачного оптического стекла, это стало большим событием в развитии отечественной техники, так как раньше артиллерийские и авиационные прицелы, бинокли и подзорные трубы приходилось ввозить из-за рубежа.
Из силикатов изготовляют и современные керамические (от греч, «ке'рамос» — «глина») материалы. Самое распространённое сырьё для них — обыкновенная глина. Мягкая и пластичная, она легко принимает любую форму, а после обжига становится прочной керамикой. Кирпич из красной глины и керамические трубы необходимы в строительстве; из белой керамической массы {фарфора и фаянса) производят посуду, сантехнику, изоляторы. Керамику более сложного состава применяют в электронике, ракетной технике и даже в
оборонной промышленности: из неё делают элементы брони военных машин.

Искусственные материалы, полимеры, нужны современному человеку не меньше, чем металлы.
Пластмассы легки, не ржавеют, а главное — очень удобны для обработки: им не сложно
придать нужную форму, окраску, сделать поверхность гладкой, шероховатой или ребристой,
нанести какой угодно рисунок.
Преимущества пластических материалов столь очевидны, что постепенно они стали заменять и
даже вытеснять металлы. Учёные создают новые, дешёвые в производстве пластмассы, не
уступающие, а часто многократно превосходящие металлы по физическим и химическим
свойствам. Одно из последних достижений — полимеры высочайшей прочности, способные
выдерживать очень высокие и очень низкие температуры, устойчивые к воздействию самых
едких химических веществ. Сырьём для производства искусственных материалов служат
углеводороды различного химического состава. Так называют содержащие углерод природные
вещества (нефть, газ, каменный уголь).
Нефть и природный газ добывают из скважин. Бурить их люди научились не только на земле,
но и в морях — буровые установки там размещают на стационарных и плавающих платформах.
Когда такие платформы соединяют мостами-переходами, образуются целые городки на сваях.
Добытое сырьё перерабатывается на химических предприятиях в пластические материалы в
виде порошков или гранул. Затем из них с помощью прессов и другого оборудования делают
листы, трубы, стержни, волокна или плёнки для разных технических устройств.

Опоры для мостов и маленькие гайки, станки-автоматы и топоры, батареи в наших домах и
антенны на крышах — всё это и многое другое сделано из металлов. Извлекают их из руд —
смесей разных минералов. Самородные, т. е. чистые, металлы, золото например, в природе
встречаются очень редко.
Руду добывают и готовят к переработке горнодобывающие предприятия. Так, железорудные
месторождения разрабатывают двумя способами. Если руда залегает глубоко — то в шахтах, а
если близко к поверхности — то так называемым открытым способом, т. е. в карьерах.
Руда содержит не только металлы, но и пустую породу (ненужные примеси). Железная руда
считается богатой, если доля железа в ней достигает 30—50%. Залежей таких руд на Земле
очень много.
Большие же месторождения руд цветных металлов встречаются гораздо реже. К богатым,
например, относят руду, в которой всего 3—5% чистой меди. Тем не менее, добыча руд цветных металлов необычайно выгодна. Добытую руду обогащают — отделяют пустую породу. Сначала руду измельчают в специальных мельницах. Причём чем она беднее, тем дороже первичная обработка. Бедная порода требует особо тщательного измельчения; некоторые руды приходится перетирать буквально в пыль. Затем руду промывают водой или химическими растворами. Получившуюся смесь — пульпу (от лат. pulpa — «мякоть») продувают воздухом, чтобы выделить из неё богатые металлом, а значит, более тяжёлые компоненты. Для выделения железа используют магниты. Эту операцию называют сепарацией {от лат. separatio — «отделение»). Чтобы извлечь из руды цветные металлы, широко применяют химические, электрохимические и гидрохимические методы. Порошок руды, например, промывают раствором веществ, образующих пену, к которой прилипает только металл. При этом для каждого металла (меди, алюминия, титана, никеля и т. д.) используют свою технологию. В результате предварительной обработки получают концентрат с высоким содержанием металла. Но это ещё не готовый, чистый металл, а сырьё для его изготовления.
Например, основной этап производства — доменный передел. Концентрат железной руды расплавляют в огромных печах (домнах) и получают чугун. Он поступает на металлургические заводы, и именно здесь его превращают в сталь. Сталь варят из чугуна в смеси с металлоломом. Стали различных марок отличаются по составу, а, следовательно, по химическим и физическим свойствам. Например, марганец необходим при выплавке стали для ковшей экскаваторов или траков гусеничных машин (тракторов и танков). Добавка никеля даёт нержавеющую сталь.
Существуют несколько способов выработки стали. В конце XIX — первой половине XX в. основным сталеплавильным процессом было мартеновское производство, названное так по фамилии его изобретателя, французского металлурга Пьера Мартена (1824—1915). Но ещё в 60-х гг. XIX в. сталь предложили выплавлять в кислородных конвертерах (от лат. convert» — «превращать»), что не только экономно, но и даёт металл более высокого качества. Специальные стали, с особыми физическими и химическими свойствами, выплавляют и в электрических печах по сложным технологиям. Стали и сплавы на основе железа, полученные этими способами, содержат минимальное количество примесей.
Жидкую сталь разливают в чугунные формы — изложницы. Когда металл застывает, слитки отправляют в прокатные цехи металлургического завода. Здесь из них изготовляют профили — балки различных размеров и формы, рельсы для железных дорог и трамвайных путей, полосы и листы. Часть проката поступает в кузнечный цех, где куют
или штампуют заготовки для деталей машин.