Назначение и выбор металлических материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Р. Бараз, М. А. Филиппов, М. А. Гервасьев

Назначение и выбор
металлических материалов

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 
150100 — Материаловедение и технология материалов 
и 150400 — Металлургия

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 669.2/.8.017(075.8)
ББК 34.23я73
          Б24

Рецензенты:
кафедра металлургии, сварочного производства и методики 
профессионального образования Российского государственного 
профессиональнопедагогического университета — РГППУ 
(завкафедрой д-р техн. наук, проф. Б. Н. Гузанов);
д-р техн. наук, проф. Б. А. Потехин (Уральский государственный 
лесотехнический университет)

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. В. В. Березовская

Бараз, В. Р.
Б24    Назначение и выбор металлических материалов [Электронный
ресурс] : учебное пособие / В. Р. Бараз, М. А. Филиппов, М. А.
Гервасьев.— 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017.
—192 с.

ISBN 978-5-9765-3034-8 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1710-3 (Изд-во Урал. ун-та)

В пособии приведены справочные данные и сформулированы основные 
принципы, которыми следует руководствоваться при выборе металлических 
сплавов различного назначения и технологий их термической обработки. 
Рассмотрены примеры задач по выбору металлических сплавов и упрочняющих 
технологий для типичных деталей машиностроения. Представлена компьютерная 
программа автоматизированного выбора материалов и технологий в
машиностроении и методика практического пользования этой программой.
Учебное пособие предназначено для студентов машиностроительных и

металлургических специальностей, а также может быть полезно для инженернотехнических работников предприятий и научно-исследовательских институтов.

Библиогр.: 11 назв. Табл. 34. Рис. 75.
УДК 669.2/.8.017(075.8)
ББК 34.23я73

ISBN 978-5-9765-3034-8 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1710-3 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный 
     университет, 2016

Введение

П

рофессиональная обязанность материаловеда-технолога — 
уметь технически грамотно и обоснованно решать задачи 
по выбору материала для конкретной детали и технологии 
ее получения. Обычно задание на выбор материала и технологии его 
обработки исходит от конструктора, который формирует перечень 
требуемых эксплуатационных и технологических показателей (в виде 
цифр и пожеланий). Однако подобные формулировки практически 
всегда оказываются неполными, а иногда и не совсем точными. Поэтому материаловеду зачастую приходиться решать такую задачу в ситуации неполного знания об условиях работы данной детали, не имея 
исчерпывающих представлений об уровне функциональных свойств 
используемого материала.
Принятию решения по выбору нужного материала (из числа имеющихся) обычно предшествует обстоятельный сбор более полной 
информации и последующий тщательный ее анализ по поводу существующей конструкции или имеющегося агрегата, для которых 
предназначена искомая деталь. Такой информационный задел может 
включать сведения о зарегистрированных недостатках, отказах и поломках. Полезными также являются данные о том, представляет ли 
изделие собой оригинальную конструкторскую разработку или оказывается усовершенствованием уже освоенной. Кроме того, важно 
знать, определяет ли материал качество и технологичность конструкции решающим образом или же он обеспечивает вторичные функции. 
Приходится, наконец, учитывать и другие немаловажные факторы — 
предполагаемый объем производства и, соответственно, планируемое потребление материала, экономические и другие разумные соображения.
В рамках данного справочного пособия возможные ситуации по выбору подходящего материала ориентированы на поиск такового из чис

Введение

ла уже известных и освоенных промышленностью. Обычно каждый 
случай решения задачи по поиску нужного материала и приемлемого 
технологического режима имеет вполне индивидуальный характер, поскольку касается конкретной ситуации. Тем не менее сама процедура 
изыскания материала подчиняется определенному алгоритму и включает осуществление ряда последовательных действий. Отметим наиболее существенные из них.

1. Оценить условия работы детали и определить перечень требуемых 
свойств и их числовые показатели. Обычно принимаются во внимание ряд стандартных механических, физико-химических и технологических характеристик (например, показатели прочности и пластичности, величина удельного электросопротивления, обрабатываемость 
резанием, свариваемость и т. д.).

2. Определить группу материалов по следующим видам: конструкционные стали общего назначения, инструментальные стали, специальные стали и сплавы (жаропрочные, нержавеющие, износостойкие 
и проч.), чугуны, цветные сплавы.
Для помощи в решении этого вопроса обычно следует использовать 
технические справочники и учебную литературу, где приведены данные о примерных назначениях сталей, сплавов, неметаллических материалов для различных изделий. В настоящем справочном пособии 
приведены наиболее распространенные и доступные сведения о разнообразных металлических материалах. В случае надобности иметь более 
полные и подробные сведения можно воспользоваться приведенным 
библиографическим списком [1–11]. В некоторых случаях удается почерпнуть полезную информацию из оригинальных научных публикаций в журналах или из монографий. Наконец, мощным современным 
средством поиска является наличие ряда компьютерных баз данных, 
которые облегчают формальный поиск материала (чаще всего по показателям механических характеристик). Однако использование и этого метода также может привести к неоптимальному решению, так как 
весьма трудно учесть множество разнонаправленных факторов, которые в совокупности определяют соотношение качества и цены изделия, обусловливающих его конкурентоспособность.

3. Следует учитывать экономические соображения — если для данного типа деталей можно использовать несколько различных марок, 
например, сталей, то выбирается наименее легированная, но обеспечивающая прокаливаемость заданного конкретного сечения. И, нао

Введение

борот, дорогостоящие легированные стали, содержащие Ni, Mo, W, V, 
или цветные сплавы следует рекомендовать лишь в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов не способен обеспечить требования, обусловленные заданием.

4. Важно учитывать технологические свойства — это позволяет использовать более производительные и экономичные процессы. В результате удается не только улучшить функциональные характеристики 
изделия, но и снизить трудоемкость его изготовления, сократить расход материалов (например, за счет уменьшения доли отходов).

5. Окончательные свойства, а также свойства на стадии технологического передела изделия могут обеспечиваться термической обработкой, операциями ОМД, резания, сварки или определенными видами 
комбинированных обработок (термомеханической, химико-термической). Поэтому важную роль следует отвести подбору приемлемых 
технологических режимов обработки, учитывая, что возможность регулирования структуры позволяет управлять свойствами в нужном направлении.
Выбор того или иного материала для конкретного изделия или конструкции будет рациональным и экономически эффективным, если 
при минимальном легировании обеспечивается требуемый уровень 
конструктивной прочности, а удорожание материала в результате легирования и изменения технологии производства не будет превышать 
экономический эффект, достигаемый посредством следующих технико-экономических факторов:
— обеспечение необходимой надежности и долговечности (хладостойкость, сопротивление усталости, износостойкость и т. п.);
— получение новых технологических и эксплуатационных свойств 
(например, коррозионной стойкости, жаропрочности, свариваемости и проч.);
— уменьшение массы;
— снижение расходов на изготовление, монтаж, транспортирование и эксплуатацию.
Подобные соображения оказываются вполне целесообразными при 
решении практической задачи, связанной с выбором подходящего материала и назначением обоснованной технологии.
При написании настоящего пособия авторы исходили из разумного предположения, что читатель хотя бы в общих чертах имеет представление о базовых положениях термической обработки металличе

Введение

ских материалов. Тем не менее, было сочтено возможным в 1-й главе 
напомнить самые необходимые сведения о способах и технологических приемах термической обработки как сталей, так и сплавов на основе цветных металлов.
Само учебное пособие построено таким образом, чтобы получение 
требуемой информации можно было осуществить двумя способами. 
В первом случае (это изложено во 2-й главе) пользователю предлагается классическая и вполне привычная табличная система изложения первичных справочных данных — в достаточно компактной форме приводятся полезные сведения о том, какие именно металлические 
материалы и для какого рода изделий могут быть рекомендованы. Охватывается достаточно широкий круг сталей и сплавов различного назначения — от обычных углеродистых марок сталей до сложнолегированных сплавов, включая и разнообразную группу сплавов на основе 
цветных металлов (Cu, Al, Mg, Ni, Ti).
В дальнейшем для получения более исчерпывающей информации 
о выбранном материале и технологическом способе его переработки 
(температуры критических точек, химический состав, рекомендуемые 
режимы термической обработки, физико-механические и технологические свойства, вид поставки, возможные заменители и проч.) следует уже использовать специальную справочную литературу. Список таких марочников приведен в заключительном разделе данного пособия.
Практическое исполнение этого методического подхода (описано 
в 3 и 4-й главах) подробно проиллюстрировано на конкретных примерах, рассматривающих выбор потребных материалов и приемлемых 
технологических режимов их обработки применительно к конструкционным и инструментальным сталям и сплавам. При этом авторы сочли 
возможным в этих главах в некоторых случаях дать достаточно развернутые сведения о рассматриваемых материалах (их назначение, технологические особенности обработки, служебные свойства и проч.).
Второй способ получения нужной информации основан на применении современных компьютерных технологий (представлено в 5-й 
главе). В частности, для этой цели рекомендуется оригинальный программный комплекс выбора марки сталей под названием СТАЛЬ, 
включающий автономный программный модуль и базу данных. Особенность программного комплекса состоит в том, что он содержит 
справочные данные о широком перечне металлических материалов, 
ограниченных, однако, набором только машиностроительных сталей.

Введение

В целом данное учебное пособие, по мнению авторов, дает возможность пользователю получить полезные навыки решения довольно распространенных материаловедческих задач. При этом достигается оно 
с использованием как традиционных приемов, основанных на анализе сведений из справочной литературы, так и путем применения более 
современных методов в форме компьютерных технологий, благодаря 
которым поиск нужного материала осуществляется по определенному алгоритму, когда компьютер сам «ведет» пользователя к получению конечного результата.

Глава 1.  
Общие сведения о металлах и основные 
положения термической обработки

1.1. Классификация металлов
М

еталлические материалы принято разделять на две большие группы — черные и цветные металлы.
К черным металлам обычно принадлежат железо и его 
сплавы (сталь, чугун, ферросплавы). К этой группе часто условно относят также такие металлы, как хром, марганец, которые в основном 
используются в качестве добавок к железу. Однако их правильнее выделять в отдельную группу цветных металлов — легирующих металлов 
(легирующих элементов).
Цветные металлы — это промышленное название всех остальных 
металлов. В свою очередь цветные металлы разделяются на несколько 
групп (однако общепринятая классификация отсутствует). Так, в зависимости от плотности цветные металлы принято делить на легкие 
и тяжелые. К первой группе относятся такие, которые имеют плотность меньше 5 г/см 3 (алюминий, магний, титан, бериллий, литий 
и др.), ко второй группе — те, у которых плотность выше указанной 
величины (медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк и др.). Самым 
легким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Наиболее тяжелый металл в настоящее время определенно назвать невозможно, 
так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжелых металлов — 
почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности 
свинца). Однако вычислить их точную плотность крайне сложно: для 
этого нужно полностью очистить металлы, поскольку любые примеси снижают их плотность.

1.1.Классификацияметаллов

В зависимости от температуры плавления используется градация 
на легкоплавкие и тугоплавкие металлы. Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от –39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В качестве пороговой принимается температура, равная 1000 °C (в некоторых 
справочных изданиях подобное разделение основывается на сравнении с температурой плавления железа, т. е. 1539 °C). Соответственно, если придерживаться первой градации, к числу легкоплавких металлов следует отнести ртуть, олово, кадмий, свинец, цинк, магний, 
висмут, таллий, сурьму, алюминий; тугоплавкими являются серебро, 
медь, золото, железо, никель, титан, молибден, хром, ниобий, тантал 
и, конечно же, вольфрам.
Кроме того, металлы принято делить на благородные металлы (золото, серебро, платина, палладий, радий, рутений, иридий и осмий) 
и редкие металлы (вольфрам, хром, ванадий, молибден, тантал, радий 
и подгруппа редкоземельных — церий, торий, скандий, иттрий и др.). 
Появление термина редкие металлы объясняется сравнительно поздним освоением и использованием этих элементов, что связано с их малой распространенностью (или рассеянностью в земной коре), а также трудностями извлечения из сырья для выделения в чистом виде.
Довольно любопытным следует признать существующее природное распределение элементов. Их количественная оценка в настоящее время выполнена достаточно точно. В земной коре (литосфере) 
на глубине приблизительно 1 км содержатся следующие элементы (их 
содержание дано в массовых процентах):
Кислород ................................ 46,6
Кремний ................................. 27,7
Алюминий ................................ 8,0
Железо ...................................... 5,0
Магний ..................................... 2,1
Титан ........................................ 0,6
Медь ......................................... 0,01
Никель ...................................... 0,01
Олово ........................................ 0,004
Цинк ......................................... 0,004
Свинец ...................................... 0,0016
Серебро .................................... 0,00001
Золото ....................................... 0,0000005
Платина .................................... 0,00000005

Глава1.Общиесведенияометаллахиосновныеположениятермическойобработки

Цветные металлы и сплавы на их основе широко применяются 
в промышленности и быту благодаря целому комплексу механических, физических и химических свойств.
Без легких сплавов невозможно было бы развитие современной авиации. Удачное сочетание малого удельного веса с относительно высокой прочностью предопределило их широкое применение не только 
в авиастроении, но и в других областях техники. Изделия и полуфабрикаты из алюминиевых и магниевых сплавов, полученные литьем 
и обработкой давлением, являются важнейшими конструкционными 
материалами в транспортном машиностроении, автотракторной промышленности, судостроении, приборостроении и т. д. Легкие сплавы 
применяют в гражданском строительстве, для бытовых целей. Высокая электропроводность и химическая стойкость чистого алюминия 
позволили широко использовать его в электротехнике и химическом 
аппаратостроении.
Материалы с высокой удельной прочностью (сплавы Ti) предназначены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. 
Некоторые сплавы на основе титана по своей удельной прочности 
(прочности на единицу веса) значительно превосходят алюминиевые 
и магниевые сплавы и стали.
Многими ценными качествами обладают такие цветные металлы, 
как медь, никель и др. Медь после серебра является лучшим проводником тока, что обусловило ее широкое применение в электротехнике. Медь служит также основой многих важных промышленных сплавов: латуней, бронз и др.
Никель является основным компонентом большинства электротехнических, жаростойких, жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Весьма широко никель используют в гальванотехнике для защитных покрытий. Он является важнейшим компонентом в лучших 
специальных сталях.
Тугоплавкие и благородные металлы (вольфрам, молибден, тантал, 
ниобий, золото, платина, серебро) и их сплавы являются важнейшими конструкционными материалами новой техники.