Методология выбора материалов и упрочняющих технологий в машиностроении

В.Е. Зоткин
МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
И УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ 
В МАШИНОСТРОЕНИИ
УЧЕБНИК
4-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Учебно-методическим объединением по образованию
в области металлургии в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
22.03.02 «Металлургия»
Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2019

УДК 62-1/-9(075.8) 
ББК 34.5я73
 
З88
Р е ц е н з е н т ы:
Штремель М.А., доктор физико-математических наук, профессор 
Национального исследовательского технологического университета 
«МИСиС»; 
Семенов Б.И., доктор технических наук, профессор Московского 
государственного технического университета имени Н.Э. Баумана
Зоткин В.Е.
З88 
 
Методология выбора материалов и упрочняющих технологий в машиностроении : учебник / В.Е. Зоткин. — 4-е изд., перераб. и доп. — 
М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2019. — 320 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).
ISBN 978-5-8199-0852-5 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-011263-3 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-107086-4 (ИНФРА-М, online)
В учебнике изложены основы выбора материалов и технологий, формирующих свойства в деталях и изделиях. Предложена методология, базирующаяся на системном подходе, на сочетании материаловедческих (металловедческих) знаний с соответствующими положениями математической 
статистики, теорий надежности и принятия оптимальных решений. Приведены примеры, иллюстрирующие решение практических задач. В приложениях даны таблицы, необходимые для проведения расчетов, и методические указания по проведению практических занятий.
Для студентов металлургических и машиностроительных специальностей вузов. Может быть полезен для студентов, обучающихся по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов».
УДК 62-1/-9(075.8) 
ББК 34.5я73
ISBN 978-5-8199-0852-5 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-011263-3 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-107086-4 (ИНФРА-М, online)
© Зоткин В.Е., 2011
© ИД «ФОРУМ», 2011

Предисловие
В учебнике излагаются вопросы выбора материалов и технологий их обработки, формирующих свойства в деталях и изделиях, применительно к соответствующим машиностроительным и
металлургическим специальностям. В нем обобщена имеющаяся
в литературе информация, научные разработки и опыт работы автора по практическому решению затрагиваемых вопросов. В его
основу положен курс лекций, читаемых автором по учебным дисциплинам указанных специальностей и опубликованных в журнале «Технология металлов» (¹ 10—12, 2003 г. и ¹ 1—6, 2004 г.);
изданию предшествовал также четырехкратный выпуск учебных
пособий по методологии выбора материалов для изделий машиностроения (1995, 1999, 2004 и 2008 г.).
Цель учебника — оказать помощь в овладении методологией
выбора материалов и соответствующих технологий, инициировать творческий подход к решению оптимизационных задач, который подразумевает использование не только материаловедческих знаний, но и общих положений ряда смежных наук при одновременном учете конкретных условий. Фактические данные в
учебнике надо рассматривать, прежде всего, как вспомогательные
для изучения отдельных методик и методологии выбора в целом.
По затрагиваемой проблеме в вузах страны изучаются различные по направленности учебные дисциплины, поэтому профилирующие кафедры сами должны решать, в каком объеме и какие
разделы должны изучать их студенты с учетом требований к
специальности и специфики учебних дисциплин.
Автор выражает признательность рецензентам, сделавшим
ряд важных замечаний при рецензировании рукописи; он также
благодарен А.В.Сурковой за помощь в подготовке оригинал-макета учебника.
Все замечания и пожелания, направленные на дальнейшее улучшение учебника, будут с благодарностью приняты автором.
Заслуженный деятель науки и техники РФ,
д-р техн. наук, профессор
В.Е. Зоткин

Введение
Одной из важнейших задач современного развития экономики является ее модернизация и интенсификация производства на
основе достижений научно-технического прогресса. Темпы научно-технического прогресса обусловлены в основном развитием
машиностроения. Создание новых технических объектов, отвечающих современным требованиям, наряду с соответствующей
конструктивной проработкой, определяется выбором материалов
и технологий изготовления. Выбор материала в значительной мере влияет на качество и надежность машин, устройств и механизмов (в дальнейшем — изделия), их материалоемкость, энергопотребление и в конечном счете себестоимость; в ряде случаев от
наличия материалов зависит и возможность осуществления новых технических решений.
По своей постановке это не новые вопросы, но решение их в
большинстве случаев базировалось на опыте, качественных сопоставлениях, а иногда на интуиции, без соответствующих количественных оценок. В настоящее время в связи с усложнением
изделий машиностроения и увеличением номенклатуры применяемых материалов такие решения уже недостаточны. Применительно к вновь создаваемым изделиям, получение количественных оценок должно основываться на моделировании их функционирования с учетом условий эксплуатации. Особо важное
значение в этом плане приобрело математическое моделирование
в сочетании с системным рассмотрением задач выбора материалов и технологий обработки соответствующих деталей с учетом
надежности их функционирования в изделии.
При решении вопросов выбора материалов и технологий
предлагается идти от изделия (детали), специфики его работы, к
материалу,
способному
обеспечить
успешную
эксплуатацию.
В связи с этим сначала кратко излагается порядок разработки изделий (глава 1) с разъяснением содержания возникающих при
этом материаловедческих задач, затем обосновываются требования к деталям (разд. 2), на основании которых конкретизируются
требования к материалу (применительно к данной детали). Соот

Введение
5
ветственно этому далее дается статистическая характеристика
свойств материалов (глава 3) и излагается методология выбора.
Последняя включает в себя: материаловедческие основы выбора с
классификацией материалов по применению и их краткой характеристикой (глава 4), решение оптимизационных задач выбора
различными методами (глава 5). Далее дается представление об
оптимизационных задачах выбора систем и методов контроля
(глава 6). В заключении рекомендуется последовательность работ
по выбору материалов и упрочняющей обработки.
Предлагаемая методология иллюстрируется большим количеством примеров. Для выполнения статистических расчетов с помощью ЭВМ можно пользоваться специализированным пакетом
STATISTICA или получившим наибольшее распространение в деловой сфере табличным процессором Microsoft Excel.
В приложении П приведены вспомогательные таблицы, необходимые при выполнении расчетов, а в приложении П П —
типовые статистические задачи, рекомендуемые для решения на
практических занятиях, с методическими указаниями по их выполнению.
Принимая во внимание встречающиеся случаи недостаточной
подготовленности студентов в смежных областях знания и дефицит учебного времени (особенно у заочников), в учебнике приведены краткие сведения по математическому моделированию, математической статистике, теории надежности и методам оптимизации, необходимые для понимания излагаемого материала. В
случае достаточной компетентности соответствующие подразделы (3.1, 5.1) могут быть опущены.
Поскольку это первая попытка создания учебника по научным основам выбора материалов и технологий, формирующих
свойства изготавливаемых из них изделий (в дальнейшем — упрочняющие технологии), предлагаемое издание надо рассматривать как авторское видение этой проблемы. Главным считалось
обоснование подходов и изложение методологии решения задач
оптимизации выбора материалов и упрочняющих технологий на
основе сочетания традиционных для материаловедения методов
качественного анализа с основными положениями математической статистики, теорий надежности и принятия оптимальных
решений, что позволяет оценивать совершенство технологии
и учитывать влияние статистической неоднородности свойств
материалов
(на
надежность
элементов
конструкции,
а
в
конечном счете — издения в целом.

Глава 1
О порядке разработки и постановки изделий
на производство
Промышленные предприятия производят продукцию в виде
изделий и продуктов. Изделиями считаются результаты работы,
оцениваемые количественно в виде дискретной величины (экземпляры, штуки и др.). Продуктами же считаются результаты работы, количественно оцениваемые непрерывной величиной (килограмм, кубический метр и т.п.).
Процесс создания изделия имеет важное значение для обеспечения его качества. Именно в это время закладываются основные показатели качества изделия, осуществляется выбор материалов и технологий упрочняющей обработки.
Порядок разработки и постановки изделия на производство регламентируется нормативно-технической документацией, которая
определяет обязанности заказчиков, разработчиков и изготовителей
в процессе создания изделия; в ней же установливается последовательность оценки качества разрабатываемого изделия с определением свойств материалов.
Разработка изделия обычно проводится в две стадии: проектирование и испытание (опытная отработка). При этом первая
стадия включает в себя:
 обоснование технического задания — документа, устанавливающего основное назначение, технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию;
 разработку технического предложения — совокупности технических решений на основе анализа технического задания,
в которых обосновывается целесообразность создания изделия и содержится сравнительная оценка разрабатываемого
и существующих изделий;
 разработку эскизного проекта — комплекта конструкторских решений, дающих общее представление об устройстве,
принципе работы, основных параметрах разрабатываемого
изделия;

Глава 1. О порядке разработки и постановки изделий...
7
 разработку технического проекта — комплекта конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения и полностью определяющих устройство разрабатываемого изделия;
 подготовку рабочей документации — комплекта исполнительских конструкторских документов, необходимых для
изготовления изделия в условиях производства.
При проектировании новых образцов обычно углубленно исследуют физическую сущность происходящих в изделии процессов, а также разрабатывают методы описания основных физических явлений в ходе эксплуатации изделия. Однако, как показывает практика, разработка изделий не обходится без испытаний
опытных образцов, роль и объем которых возрастают по мере усложнения изделий.
Вторая стадия — опытная отработка — в общем случае включает в себя автономные испытания основных элементов изделия
и комплексные испытания группы элементов или всего изделия.
Испытания проводятся на физических моделях либо на опытных
(натурных) образцах, причем для их проведения могут создаваться специальные установки (стенды), или же они проводятся в реальных условиях эксплуатации. Основной задачей при этом является качественная проверка работоспособности объекта и оценка
надежности его основных узлов, а также изделия в целом.
Осуществляемые в процессе опытной отработки испытания
подразделяются на предварительные (заводские) и приемочные
(ведомственные, межведомственные и государственные). По результатам предварительных испытаний решается вопрос о необходимости доработки изделия или же возможности допуска его к
приемочным испытаниям. В ходе приемочных испытаний окончательно определяется соответствие разрабатываемого изделия
требованиям технического задания и стандартов, оценивается
возможность постановки его на производство. При решении вопроса о постановке изделия на производство при необходимости
определяется и объем доработок.
Таким образом, процедура разработки изделия представляет
собой систему с рядом иерархических уровней. Соответственно по
каждому из них по мере необходимости проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы и испытания.
Проведение всех этих работ нуждается в соответствующем материаловедческом обеспечении (сопровождении). Его конечной

Глава 1. О порядке разработки и постановки изделий...
целью является обоснование выбора материалов с оптимизацией
по каким-либо параметрам, а также технологии их обработки,
формирующей свойства всех деталей. Соответственно указанным
уровням иерархии при этом непрерывно проводятся необходимые научно-исследовательские работы, разрабатываются математические модели оценки свойств в условиях эксплуатации, проводятся лабораторные исследования и стендовые испытания. В
ходе опытной отработки изделия определяются виды испытаний,
фиксируется поведение материалов в деталях, в том числе в условиях эксплуатации, прогнозируется возможность обеспечения
требуемого качества деталей и изделий в целом в условиях реальной эксплуатации (в пределах установленных сроков службы).
При постановке изделия на производство уточняется технология упрочняющей обработки с учетом конкретных условий,
оценивается возможность унификации и уменьшения количества
применяемых марок материалов, определяются режимы работы
оборудования и завершается отработка нормативно-технической
документации на используемые материалы.
Заметим, что в процессе производства изделий также проводятся испытания по проверке качества. Эти испытания являются
контрольными. Применительно к серийному и массовому производству они подразделяются на приемосдаточные и периодические. По результатам первых осуществляется сдача (приемка)
штатной продукции; целью вторых является подтверждение стабильности показателей качества в процессе производства.
На стадии производства изделия материаловедческое обеспечение, помимо осуществления соответствующих технологических
операций, включает в себя обоснование видов контроля с учетом
специфики работы материала в деталях, методов проведения испытаний и соответствующих количественных нормативов.
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику порядка разработки изделий машиностроения.
2. Каковы цели и задачи, решаемые в ходе материаловедческого сопровождения разработки изделий?
3. Охарактеризуйте задачи, решаемые в ходе материаловедческого
обеспечения при постановке изделий на производство?

Глава 2
Обоснование требований,
предъявляемых к изделиям и деталям
по качеству материала
Под качеством изделий понимается совокупность свойств, обусловливающих пригодность изделий удовлетворять определенные
потребности в соответствии с их назначением.
Показатели качества могут быть единичными (относятся к одному из свойств) и комплексными (относятся к нескольким свойствам). К изделиям в целом могут применяться и интегральные
показатели качества (комплексные показатели, отражающие соотношение эффективности использования изделия и затрат на
его создание и эксплуатацию). Перечень требуемых показателей
качества зависит от назначения изделий.
При производстве изделий машиностроения требования по
качеству предъявляются и контролируются на стадиях исследования и проектирования, изготовления и эксплуатации. При этом
под эксплуатацией понимается совокупность всех фаз существования изделия от времени его изготовления до прекращения использования или списания. Все многообразие эксплуатационных
режимов в основном сводится к следующим.
Рабочий режим — непосредственное использование по назначению; изделие подвергается воздействию рабочих нагрузок, обусловливаемых внутренними факторами.
Хранение — перерыв в использовании по назначению (ожидание); изделие подвергается воздействию внешних факторов, в
основном климатических.
Транспортирование — перемещение изделия; на изделие воздействуют в основном внешние факторы (вибрации, удары). Для
дорожных машин — это и рабочий режим.
При формировании требований к изделию (детали) надо ориентироваться не только на рабочий, но и на другие режимы. Кро

Глава 2. Обоснование требований, предъявляемых к изделиям...
ме того, следует учитывать опыт эксплуатации изделий-аналогов,
в частности характер имевших место неисправностей и отказов.
Требования к изделию в целом формулируются заказчиком
(потребителем). Они могут формулироваться и самим разработчиком на основе всестороннего изучения и анализа условий реализации создаваемых изделий (конъюнктуры рынка). В том и в
другом случаях требования излагаются в виде технического задания на разработку изделия. В последнем указываются лишь те из
показателей качества, которые предопределяют полезный эффект, получаемый при использовании изделия по назначению
(эффективность). К таким показателям прежде всего относятся
требования к надежности изделия.
Заданные на изделие количественные характеристики надежности в ходе проектирования распределяются между элементами
изделия (узлами и блоками). На основе соответствующих расчетов они распределяются по деталям (элементам). Ориентируясь
на последние, с учетом условий функционирования, определяются требуемые показатели качества материала, обеспечивающие
надежную работу изделия.
Отработка требований к материалу обычно включает в себя:
 определение характера нагружения (статистическое, динамическое) и схемы напряженно-деформированного состояния;
 определение действующих нагрузок (перегрузок) и напряжений, способных вызывать разрушение детали (затупление
инструмента);
 определение возникающих деформаций и оценку их допустимых значений;
 оценку возможности и степени нагрева детали при эксплуатации, обоснование допустимой величины снижения прочности (режущей способности инструмента), ползучести,
длительной прочности;
 оценку возможности охрупчивания металла в условиях эксплуатации изделия и определение требуемого значения вязкости, допустимого порога хладноломкости;
 оценку характера знакопеременных нагрузок и необходимость обеспечения определенного уровня сопротивления
усталостному разрушению;
 оценку наличия истирающих нагрузок и необходимость
обеспечения определенного уровня износостойкости;