Новые конструкционные материалы

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 
 

В. Г. Кузнецов, Г. А. Аминова 

 
 

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ  

МАТЕРИАЛЫ 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 

 
 
 

 
 
 
 
 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2020 

УДК 620.22(075) 
ББК 30.3я7 

К89 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук Ф. М. Галимов 

канд. техн. наук, доц. В. Н. Догадкин 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

К89

Кузнецов В. Г. 
Новые конструкционные материалы : учебное пособие / В. Г. Кузнецов,
Г. А. Аминова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 472 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2812-9 

Рассмотрены наиболее перспективные направления, представлены раз
работки новейших конструктивных материалов для различных отраслей промышленности.  

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 

22.04.01 «Материаловедение».  

Подготовлено на кафедре технологии конструкционных материалов. 
 

УДК 620.22(075) 
ББК 30.3я7 

 
 
ISBN 978-5-7882-2812-9 
ã Кузнецов В. Г., Аминова Г. Г., 2020 
ã Казанский национальный исследовательский  

технологический университет, 2020 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

В данном пособии рассматриваются новые классы конструкци
онных материалов, создающихся практически непрерывно в процессе 
научно-исследовательских работ, направленных на реализацию вполне 
определенных технологических задач. 

Например, создаются материалы для авиационной, космической 

и оборонной промышленности, кораблестроения и т. д. Постоянно требуются новые материалы для машиностроения, нефтехимии, биологии, 
медицины и прочих отраслей с конкретными разнообразными свойствами. И в каждом конкретном случае требования к конструкционным 
материалам, естественно, самые разные. 

В первой главе пособия разбирается общая классификация при
меняемых в технике конструкционных материалов. Здесь же описаны 
некоторые материалы с необычными и даже уникальными свойствами 
как примеры творческой мысли изобретателей и исследователей. Среди 
них можно назвать, например, одностороннее пуленепробиваемое 
стекло, полимерстарлит (вещество с невероятно высоким температурным порогом), различные ферромагнитные жидкости, «сухой» лед, полимерный композит, который мгновенно становится жестким при получении удара и т. д. 

Учитывая тот факт, что успехи в материаловедении в области 

авиации, космоса, судостроения, общего и химического машиностроения обеспечивают развитие практически всех отраслей народного хозяйства нашей страны, в главе 2 представлены направления научно-исследовательских работ в области создания новых конструкционных материалов в вышеназванных отраслях в перспективе их развития. В 
связи с этим появились такие соединения, как пено- и наноматериалы, 
строение, специфика и область применения которых рассмотрены в 
главах 5–7, экономно легированные азотсодержащие (глава 9) и мартенситно-стареющие стали (глава 10), керамика и нанокерамика (глава 
11), аморфные и нанокристаллические сплавы (глава 12), интерметаллические и радиационно стойкие и жидкие теплоизоляционные материалы (главы 14, 15, 25), а также материалы с включением редких металлов (глава 26) и т. д.  

Созданы так называемые интеллектуальные (глава 18) и метама
териалы (глава 22), соединения с особыми свойствами, с эффектом «памяти формы», в том числе и из полимеров (главы 3, 4, 16). 

В числе наиболее востребованных в настоящее время материалов 

также следует назвать сплавы из стекла и сапфира (глава 13), а также 
особым образом обработанную древесину и совершенно новый материал – нанодревесину, о которой идет речь в главе 20. В главе 23 представлены материалы о кристаллах, а в главе 24 – основы получения 
сверхпрочных материалов.  

Следует отметить, что в общем материаловедении все эти мате
риалы еще не рассматриваются. 

Из известных металлов в пособии рассматриваются также порош
ковые, тугоплавкие, хладо- и жаростойкие стали (главы 8, 17, 19, 21). 

Большое количество приводимого справочного и иллюстратив
ного материала (фотографии, рисунки, таблицы, графики) должно способствовать более глубокому усвоению сведений, содержащихся в данном пособии. 
 
 

4

Глава 1 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 

Общее представление о конструкционных материалах. Разли
чают материалы функциональные и конструкционные.  

Функциональные материалы – это материалы, которые имеют 

определенные физико-химические свойства, обеспечивающие их использование в качестве рабочего элемента в производстве , например, 
это может быть нефть, вода, масло, или просто продукт, используемый 
в качестве элемента потребления. 

Конструкционные материалы – это материалы, из которых со
здаются машины, используемые практически в любой технике.  

Новые конструкционные материалы» – это, как правило, матери
алы, которые созданы недавно (не более 20–30 лет назад) или осваиваются промышленностью в настоящее время.  

Перспективные материалы – это новые материалы, находящиеся 

на стадии разработки, исследования и внедрения и имеющие в перспективе более широкие возможности перед существующими.  

В мире постоянно создаются новые технологические процессы, 

для осуществления которых требуются новые конструкционные материалы (НКМ) с вполне определенными свойствами. Такие НКМ разрабатываются коллективами специалистов, проходят длительные испытания 
и только после них идут в промышленность. Материалы ‒ это ступени 
нашей цивилизации, а новые материалы ‒ это трамплин для прыжка в 
будущее, меняющий облик нашего бытия. В процессе исследований иногда создаются материалы, имеющие совершенно необыкновенные свойства. Бывает и так, что создается НКМ, который изначально нигде не может найти применение, но проходит время, и оказывается, что только 
этот материал может быть использован в данном процессе. Ниже представлено несколько таких новых конструкционных материалов, применение которых может быть совершенно неожиданным. 

Когда мы говорим о критериях, определяющих приоритетные, 

критические технологии (качество жизни, безопасность, конкурентоспособность и т. д.), одним из важнейших критериев является такая характеристика технологии, как способность коренным образом изменить, «перевернуть» всю структуру производства, а возможно, и социальных условий жизни человечества. 

К таким технологиям, вероятно, относятся информационные тех
нологии, биотехнологии, генная инженерия. К этим же технологиям относятся и технологии создания новых материалов. По экспертным 
оценкам, в ближайшие 20 лет 90 % материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к революции в различных областях 
техники. О перспективности работ по новым материалам свидетельствует и тот факт, что почти 22 % мировых патентов выдаются на изобретения в этой области. Об этом же говорит и динамика роста мировых 
рынков основных видов новых материалов. Особенно заметен прогресс 
в разработке производстве неорганических материалов ‒ это керамика, 
материалы для микроэлектроники, композиты, наноматериалы, в том 
числе и углеродные: фуллерен, фуллерит, графен, лонсдейлит, карбин, 
нанотрубки и т. д. 

Солидный научный задел российских ученых и их самоотвержен
ный труд в условиях тяжелейшей финансовой ситуации в 1990–2005 гг. 
позволяет России сохранять достаточно высокий научно-технический 
потенциал в этой области разработок. Сравнительные оценки независимых экспертов показывают, что в области новых материалов наша 
страна имеет общий высокий уровень и приоритетные достижения в отдельных областях. Наиболее высок уровень разработок по композиционным, полимерным, и сверхтвердым материалам, несколько ниже – по 
керамическим материалам, но ни по одному направлению Россия не 
имеет значительного отставания от мирового уровня и по каждому из 
направлений имеет разработки, не уступающие мировым. По оценкам 
Группы по пересмотру национальных критических технологий США 
при Белом доме возможности России в области технологий материалов 
по ряду направлений равны возможностям промышленно развитых 
стран. Таким образом, в РФ сохранена база разработки и производства 
новых материалов. В 33 регионах России успешно работают около 
200 научных коллективов, способных разрабатывать новые материалы 
и технологии их изготовления на уровне, отвечающем современным 
требованиям. Развивается научная база в Сколково, которая позволит 
объединить усилия ученых во многих областях науки и техники.  

Наш век предъявляет высокие требовании к технологиям получе
ния новых материалов. Например, для развития техники высоких температур необходимы композиционные материалы (КМ) на основе углеродных волокон (УВ), углеродных и карбидо-углеродных матриц. Основные требования к таким КМ в настоящее время и особенно в недалеком будущем сведутся к следующему: 

‒ в двигателях современных и будущих ракет, в системах управ
ления вектором тяги, наконечниках и кромках крыльев в слабоокислительной атмосфере требуются материалы с рабочей температурой до 
4000 оС, прочностью до 200 МПа и плотностью не более 2 г/см3, что 
исключает использование жаропрочных сплавов; 

‒ в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) необходимы 

материалы с рабочей температурой до 2000 оС, прочностью до 250 
МПа, коэффициентом температурного расширения близким к нулю, 
временем эксплуатации в сильно окислительной атмосфере до 1000 ч; 

‒ для изготовления тормозных дисков авиационных колес необ
ходимы фрикционные материалы прочностью до 150 МПа, с коэффициентом трения до 0,35 с рабочей температурой до 1800 оС. 

Понятно, что получить такие характеристики материалов невоз
можно только путем применения существующих углеродных волокон. 
К числу значительных достижений России в области создания таких 
материалов следует отнести: 

‒ алюминий-литиевые сплавы, обеспечивающие снижение веса 

авиационных конструкций на 15‒20 %; 

‒ направленно закристаллизованные жаропрочные эвтектические 

сплавы, представляющие собой естественные композиционные материалы, в которых впервые в истории развития конструкционных материалов реализована теоретическая прочность волокон нитевидных кристаллов; 

‒ технологии и оборудование высокоградиентной направленной 

кристаллизации жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой для охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин, обеспечивающие получение ультратонкой дендритной структуры. 

Появление новых конструкционных материалов и разработка 

технологий их получения являются объективной необходимостью технического и социального развития общества. Это видно из краткого перечня основных направлений использования новых перспективных материалов: 

‒ информационные технологии (оптические и магнитные запоми
нающие системы, электронные приборы, дисплеи); 

‒ транспортные средства (автомобилестроение, аэрокосмическая 

техника, железнодорожный и водный транспорт); 

‒ тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопле
ния и распределения энергии, системы хранения и транспортировки 
топлива, системы для возобновления энергии); 

‒ медицинская техника (хирургический инструмент, протезы, им
плантанты); 

‒ станкоинструментальная промышленность; 
‒ строительные материалы. 
Возрастание требований потребителей к свойствам конструкцион
ных материалов можно свести к следующим показателям: 

‒ усиление удельных механических свойств (прочность, упругость 

и др.) в расчете на единицу массы или удельного веса, что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию; 

‒ повышение сопротивляемости материала воздействию рабочей 

среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению и др.); 

‒ повышение долговечности (ресурса службы) материала и его 

надежности в эксплуатации. 

Одним из ведущих высокотехнологических потребителей новых 

металлических материалов является аэрокосмический комплекс. В 
этом комплексе новые материалы должны обеспечить повышение безопасности полетов, снижение эксплуатационных расходов, в том числе 
снижение расхода топлива и загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации летательных аппаратов. Особенно остро стоит проблема повышения ресурса и экологической чистоты двигателей. В 
настоящее время в России средний ресурс двигателей составляет около 
14000 ч по сравнению с 29000 ч двигателей фирмы «Роллс-Ройс» и 
30000 ч у двигателей серии CFM-56. Двигателями CFM-56 оснащены 
более 70 % мирового парка самолетов вместимостью более 100 мест. 

Ответственные задачи стоят перед мировой энергетикой. В бли
жайшие 20 лет мировое производство электроэнергии должно возрасти 
в 2 раза при условии повышения экономичности ее производства и снижения вредного воздействия на окружающую среду, что требует использования новых металлических и неметаллических материалов.  
В системах распределения (передачи) и хранения энергии (накопители) 
большая роль отводится сверхпроводникам, работающим при температурах выше 20 К и температурах, равных 77 К, в сильных и слабых магнитных полях. Эти же сверхпроводники перспективны и для транспорта на магнитных подушках. 

В автомобилестроении основным направлением развития является 

создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых 
в эксплуатации моделей. В США средняя масса легкового автомобиля в 
1975 г. составила 1800 кг, в 1990 г. – 1350 кг. Специальной программой 

PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 л на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются 
в Европе. Для достижения этих целей должны широко использоваться 
легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды. На железнодорожном и водном транспорте главными целями являются повышение 
экономичности и экологической безопасности при снижении массы 
транспортных средств и росте их энерговооруженности. 

Постоянно требуются новые материалы в области информацион
ных технологий, например, для компакт- и видеодисков, для записи с помощью голубых и зеленых лазеров, что серьезно увеличивает емкость 
дисков. Активно (прирост в год более 50 %) развивается производство 
магнитных запоминающих устройств, продолжается их миниатюризация. 

Для достижения вышеуказанных целей разрабатываются новые 

виды металлических и неметаллических материалов. Особое внимание 
уделяется легким цветным металлам и сплавам на их основе; материалам, имеющим мелкодисперсную и ультрамелкодисперсную структуру, 
монокристаллическим, аморфным и порошковым материалам. Такие 
структуры обеспечивают прочностные характеристики, иногда на порядок превышающие традиционные значения прочности, и придают материалам особые технологические, физические и эксплуатационные свойства. Материалы с такими структурами служат основой для создания различного рода КМ, деталей, полученных методами порошковой металлургии, и других деталей, обладающих специальными свойствами. 

Основные группы конструкционных материалов. Исходя из 

природы конструкционных и инструментальных материалов, их традиционно разделяют на следующие основные группы. 

1. Металлические материалы, к которым относятся: 
‒ сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны; 
‒ стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и 

немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т. д.); 

‒ композиционные материалы с металлической матрицей; 
‒ цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе 

(деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), 
титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др. 

2. Неметаллические материалы: 
‒ полимерные органические материалы – пластмассы (терморе
активные и термопластичные), резины; 

‒ 
 композиционные материалы с неметаллической матрицей 

(стеклопластики, углепластики, оргпластики и др.); 

‒ неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика); 
3. Материалы со специальными свойствами – электронные мате
риалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы. 

Кроме того, возможна классификация конструкционных матери
алов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных 
деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких 
группах, если возможность их применения определяется различными 
критериями. В соответствии с выбранным принципом классификации 
все КМ подразделяют на следующие группы: 

‒ материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и цикли
ческую прочность (стали); 

‒ материалы с особыми технологическими свойствами; 
‒ износостойкие материалы; 
‒ материалы с высокими упругими свойствами; 
‒ материалы с малой плотностью; 
‒ материалы с высокой удельной прочностью; 
‒ материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей 

среды. 

Технические требования к новым конструкционным матери
алам. Рассмотрим основные понятия, которыми определяются требования к материалам вообще. 

Температура плавления. Для сплавов распространенных метал
лов она изменяется от 660 оС (для алюминия) до 1535 оС (для железа), 
включая сплавы меди, никеля и других металлов. Исключение ‒ титан, 
у которого Тпл = 1660 оС. Температура плавления определяет трудоемкость процесса технологической обработки и верхнюю границу применения материала. Технологически легко обрабатываются в основном 
пластмассы, поскольку их температура плавления ниже 300 оС. Все металлические сплавы в той или иной степени имеют сложную технологию металлургической и механической обработки. 

Удельная прочность и удельная жесткость определяют «из
быточную» массу машины, которая снижает эффективность эксплуатации конструкции и увеличивает расход ресурсов при эксплуатации.