Технологические процессы машиностроительного производства

Москва
ИНФРА-М
2019

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
ПРОЦЕССЫ 
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО 
ПРОИЗВОДСТВА

УЧЕБНИК

Рекомендовано в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение»,
15.03.05 «Конструкторско-технологические обеспечения 
машиностроительных производств» (квалификация (степень) «бакалавр»)

Моисеев В.Б.
Технологические процессы машиностроительного производства : 
учебник / В.Б. Моисеев, К.Р. Таранцева, А.Г. Схиртладзе. — М. : 
ИНФРА-М, 2019. — 218 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
www.dx.doi.org/10.12737/3678.

ISBN 978-5-16-009257-7 (print)
ISBN 978-5-16-101062-4 (online)

Учебник включает вопросы получения конструкционных материалов 
в машиностроении и в бытовой технике, производства отливок различными 
методами литья, а также вопросы, связанные с обработкой металлов давлением. Дано описание технологии сварочного производства и обработки резанием металлических деталей и из различных композиционных материалов. 

УДК 621(075.8)
ББК 34.6

М74

УДК 621(075.8)
ББК 
34.6
 
М74

ISBN 978-5-16-009257-7 (print) 
© Моисеев В.Б., Таранцева К.Р.,
ISBN 978-5-16-101062-4 (online) 
Схиртладзе А.Г., 2014

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Предисловие

Курс «Технологические процессы машиностроительного произ
водства» занимает в становлении инженера особое место, так как 
одним из первых способствует формированию мышления инженерамашиностроителя. Для создания конструкций машин и приборов и 
обеспечения на практике их заданных характеристик и надежности 
инженер должен владеть методами изготовления деталей и их сборки. 
Для этого он должен обладать знаниями по технологии конструкционных материалов.

Предметом курса «Технологические процессы машиностроитель
ного производства» являются современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные способы формообразования заготовок и деталей машин.

Целью учебника является ознакомление студентов с основами 

знаний о современном машиностроительном производстве. В соответствии с программой курса в учебнике в логической последовательности и связи изложены сведения о получении металлов из руд 
и дальнейшей их переработке до готовых деталей с заданными формами и свойствами, о технологии изготовления машиностроительных 
деталей из композиционных, порошковых и неметаллических материалов.

Учебник составлен по принципу единства основных, фундамен
тальных способов обработки конструкционных материалов: литья, 
обработки давлением, сварки и обработки резанием.

Глава 1 

строение 
конструкционных материалов

1.1.  
конструкционные материалы 
в машиностроении

Конструкционные материалы служат для изготовления деталей, 

удовлетворяющих эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям, обусловленным служебным назначением машины (рис. 1.1). К ним относятся:
• металлы — химические элементы, образующие в свободном со
стоянии простые вещества с металлической связью. Современная 
металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 
5000 сплавов [1];

Рис. 1.1. Общая классификация конструкционных материалов

• сплавы — твердые вещества, образованные сплавлением двух или 

более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами. Разнообразие состава типов межатомной связи и кристаллических 
структур сплавов обусловливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических, оп

тических и других свойств. Сплавы на основе железа в зависимости от содержания в них углерода называют сталями или чугунами; на основе алюминия, магния, титана и бериллия — легкими 
цветными сплавами; на основе цинка, кадмия, олова, свинца, 
висмута — легкоплавкими цветными сплавами; на основе меди, 
свинца, олова и т.д. — тяжелыми цветными сплавами; на основе 
молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и т.д. — тугоплавкими сплавами;

• неметаллические материалы — неорганические и органические 

материалы, композиционные материалы на неметаллической 
основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, 
стекло, керамика и т.д.;

• полимеры — вещества, макромолекулы которых состоят из мно
гочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой 
структуры. В зависимости от формы молекул полимеры могут 
быть линейными, разветвленными и сетчатыми;

• аморфные вещества — тела, характеризующиеся полной изо
тропией свойств по всем направлениям. Изотропия аморфных 
тел объясняется хаотическим расположением в них атомов и 
молекул, лишенных какой-либо взаимной ориентации. Примерами веществ, находящихся в аморфном состоянии, являются естественные тела (опал, обсидиан, янтарь, смола и пр.) 
и искусственные (стекло, бакелит, плавленый кварц, желатин 
и др.).
До недавнего времени основной базой машиностроения служила 

черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы 
имеют много положительных качеств и, в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако 
эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая 
плотность и низкая коррозионная стойкость; так, потери от коррозии 
составляют 20% годового производства изделий из стали и чугуна. 
В настоящее время все более широкое применение в качестве конструкционных материалов находят неметаллические, главным образом 
синтетические, полимерные материалы, производство которых расширяется с каждым годом.

1.2.  
строение конструкционных материалов

В природе существуют две разновидности твердых тел, различа
ющиеся по своим свойствам, — кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным располо
жением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул); аморфные — хаотичным.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строе
ние. В металлическом кристалле валентные энергетические зоны 
атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. Это дает возможность валентным электронам свободно 
перемещаться в пределах этой зоны от атома к атому. Происходит 
обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла. 
Вследствие ненаправленности металлической связи металлические 
кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные кристаллы. Хорошая электропроводность обеспечивается наличием свободных подуровней в валентной энергетической зоне.

Для описания атомно-кристаллической структуры металлов поль
зуются понятием «кристаллическая решетка». Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, 
в узлах которой располагаются атомы, образующие металл.

Для большинства металлов наиболее характерны три типа крис
таллических решеток: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), 
кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная (ГПУ) 
(рис. 1.2).

В кубической объемно-центрированной (ОЦК) решетке атомы рас
полагаются в узлах ячейки и один атом — в центре объема куба (W, V, 
Сr и др.) (рис. 1.2, а).

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы распо
ложены в узлах куба и в центре каждой грани (Pb, Ni, Ag, Аl, Pd, Pt, 
Сu и др.) (рис. 1.2, б).

В гексагональной решетке (ГПУ) атомы расположены в узлах и в 

центре шестигранных оснований призмы и три атома — в средней 
плоскости призмы (Mg, Cd, Re, Os, Zn и др.) (рис. 1.2, в).

Рис. 1.2. Схемы кристаллических решеток:

а — объемно-центрированная; б — гранецентрированная;

в — гексагональная плотноупакованная

Некоторые металлы могут существовать в нескольких формах (Ti, 

Со, Zr, Fe). Это явление носит название аллотропии (полиморфизма). 
Так, железо при нагреве претерпевает ряд аллотропических превращений при различных температурах:

а
б
в

1) 1539–1400 °С — железо имеет решетку ОЦК с расстоянием 

между атомами 2,93 А



 (А



= 10–9 мм) и обозначается Feδ;

2) 1400–910 °С — имеет решетку ГЦК с параметром 3,6А



 и обо
значается Feγ (немагнитно);

3) 910–768 °С — имеет решетку ОЦК с параметром 2,93А



 и обо
значается Feβ (немагнитно);

4) >768 °С — Feβ превращается в магнитное Feα.
Стабильность модификаций при определенной температуре и 

давлении определяется значением термодинамического потенциала:

Z = Н – ST,

где Н — энтальпия при 0 К, равна энергии связи (имеет знак «ми
нус»); S — энтропия, равна энергии колебания элементарных 
частиц в узлах решетки и энергии поступательного движения 
валентных электронов при тепловом возбуждении.

Более стабильной при данной температуре будет модификация, 

имеющая меньшее алгебраическое значение термодинамического 
потенциала (что может быть достигнуто либо за счет большой энергии связи, либо из-за большой энтропии).

В металлических кристаллах плотноупакованной структуры ГПУ 

и ГЦК атомы имеют большую энергию связи и устойчивы при низких 
температурах. Более рыхлая структура ОЦК имеет большую энтропию вследствие большей амплитуды атомов и потому устойчива при 
повышенных температурах.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плос
костях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления. 
Указывая физические или механические свойства кристалла, необходимо дополнительно учитывать направление, к которому эти свойства относятся.

Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных крис
таллографических направлениях называется анизотропией.

Наличие анизотропии приводит к необходимости введения опре
деленной системы в обозначение направлений и плоскостей.

Рассмотрим основные направления на примере кубической ре
шетки (рис. 1.3).

Индексы осей решетки: Х – [100], Y – [010], Z – [001].
Индексы пространственных диагоналей: [111], [110].
В ГЦК плоскостью с наиболее плотным расположением атомов 

будет плоскость октаэдра (111), в ОЦК — (110), для ГПУ — плоскость 
базиса (100). По этим плоскостям смещаются атомы при пластической деформации кристалла (плоскости скольжения).

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят 

из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве 
случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях 
свойства почти одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является 
изотропным.

Таким образом, монокристалл — тело анизотропное, т.е. его свой
ства зависят от направления, тогда как поликристаллическое тело в 
большинстве случаев изотропно.

Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристал
лизации структуры.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристалли
ческих зародышей — центров кристаллизации. Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации 
и скорости роста кристаллов. Пока зародыши растут свободно, они 
имеют геометрически правильную форму и отличаются друг от друга 
размерами и различной ориентировкой. Как только растущие кристаллы соприкасаются, их правильная форма нарушается. В результате полученные кристаллы при правильном внутреннем строении 
имеют различную внешнюю форму, зависящую от условий кристаллизации.

Кристаллы неправильной формы называются зернами. Зерна от
личаются различной ориентацией кристаллических решеток; размер 
зерен составляет от 1 до 10 000 мкм. Зерна повернуты относительно 
друг друга на десятки градусов.

На границах зерен имеется поврежденный переходный слой 

толщиной порядка нескольких атомных слоев, свойства и химический состав которых могут отличаться от сердцевины. В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые по 

Рис. 1.3. Кристаллографические индексы направлений (а) и плоскостей (б, в)

в кубических решетках

а
б
в

геометрическим признакам подразделяются на точечные, линейные и плоскостные (рис. 1.4). Концентрация дефектов в реальных 
кристаллах возрастает после закалки, деформирования и других 
видов обработки.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы 

и примесные атомы (рис. 1.4, а). Точечные дефекты непрерывно 
перемещаются в решетке. Все точечные дефекты искажают кристаллическую решетку, увеличивают электросопротивление материала.

К линейным дефектам относятся смещение атомных плоскостей 

или дислокации и цепочки вакансий (рис. 1.4, б). Важнейшим свойством таких дефектов являются их подвижность внутри кристалла и 
активное взаимодействие между собой и с другими дефектами. Плотность дислокаций в кристаллах велика. В полупроводниковых кристаллах плотность их достигает 104–105 см–2, в отожженных металлах — 106–108 см–2, при холодном пластическом деформировании — 
1011–1012 см–2.

Плоскостные дефекты представляют собой поверхности раздела 

между отдельными зернами или их блоками (субзернами), а также 
дефекты упаковки (рис. 1.4, в). Граница зерен представляет собой 
переходную область, в которой решетка одного кристалла переходит 
в решетку другого кристалла. Переходный слой имеет сложное строение, в нем нарушена правильность расположения атомов. Кроме 
того, по границам зерен концентрируются примеси, что еще больше 
нарушает правильный порядок расположения атомов.

Границы зерен влияют на многие механические характеристики, 

так как, во-первых, они мешают двигаться дислокациям; во-вторых, 
на границах концентрируются примеси.

Рис. 1.4. Дефекты кристаллической решетки: 

а — точечные; б — линейные; в — плоскостные

а
б
в

1.3.  
строение сПлавов

Чистые металлы почти не применяют в качестве конструкцион
ных материалов, так как они не всегда удовлетворяют требованиям 
конструкционной прочности.

Если чистые металлы легировать другими металлами или метал
лоидами, то получаются сплавы с требуемыми свойствами. Сплавы 
обычно состоят из двух или более основных элементов, называемых 
компонентами. По числу компонентов сплавы делят на двойные, 
тройные и т.д. В сплаве кроме основных компонентов могут быть и 
примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свойства сплава, 
и вредные, ухудшающие его свойства. Металлические сплавы имеют 
кристаллическое строение.

При кристаллизации сплавы могут быль получены в виде меха
нической смеси, твердого раствора, химического соединения.

Механические смеси образуют металлы, отличающиеся атомными 

объемами и температурой плавления. Металлы, образующие такие 
сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку. Такое строение 
имеет сплав свинца с сурьмой. При рассмотрении шлифа этого сплава 
под микроскопом видны зерна свинца и зерна сурьмы. Твердый раствор образуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной 
растворимостью друг в друге как в жидком состоянии, так и в твердом.

Твердый раствор — однородное (однофазное) кристаллическое 

тело, имеющее один тип кристаллической решетки. Различают два 
основных вида твердых растворов: замещения и внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента 

замещают в решетке атомы растворителя. В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента размещаются между атомами 
растворителя.

В химическом соединении компоненты сплава вступают в химиче
ское взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая 
решетка.

Существует также ряд соединений, занимающих промежуточное 

положение между твердыми растворами и химическими соединениями.

Изучение любого сплава прежде всего начинается с построения 

и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Теоретическое и практическое значения диаграмм состояния очень велики. 
Пользуясь диаграммой состояния, можно установить возможность 
проведения термической обработки и ее режимы, температуру литья, 
горячей пластической деформации и т.д.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображе
ние фазового состояния сплавов данной системы в функции температуры и концентрации (рис. 1.5).