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.

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.