Материаловедение и термическая обработка металлов металлов : специальные стали

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 875 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра металловедения и физики прочности 

С.А. Никулин 
В.Ю. Турилина 

Материаловедение 
и термическая обработка 
металлов 

Специальные стали 

Учебно-методическое пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

Москва Издательство ´УЧЕБАª 2006 

УДК 669.017 + 621.78 
Н62 

Р е ц е н з е н т 
профессор, доктор физико-математических наук С.Д. Прокошкин 

Никулин С.А., Турилина В.Ю. 
Н62 
Материаловедение и термическая обработка металлов: Специальные стали: Учеб.-метод. пособие. – М.: МИСиС, 2006. – 57 с. 

Пособие содержит материал, необходимый для самостоятельной подготовки студентов к выполнению домашних заданий по курсам «Материаловедение и термическая обработка металлов», «Специальные сплавы», «Специальные стали и сплавы». 

Приведены методики подхода к выбору марки стали и необходимого режима 
термической обработки для получения заданных свойств. Дается краткое теоретическое введение, в котором рассматриваются механические свойства металлов, 
термическая обработка сталей, структурные и фазовые превращения в сталях, классификация и маркировка сталей, принципы легирования и влияние легирующих 
элементов на структуру и свойства сталей, основные группы промышленных сталей, экономическое обоснование выбора легированной стали. Даны варианты домашних заданий по каждому разделу курсов. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
150702 «Физика металлов», 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов», 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Механические испытания и свойства металлов 
6 

2. Основы термической обработки 
9 

3. Промышленные стали 
22 

3.1. Классификация и маркировка сталей 
22 

3.2. Влияние легирующих элементов на структуру 
и свойства стали 
24 

3.3. Металлургическое качество стали (неметаллические 
включения и примеси в стали) 
26 

3.4. Экономическое обоснование применения 
легированных сталей 
29 

4. Методические указания к выполнению домашних заданий 
31 

4.1. Домашнее задание №1 
31 

4.2. Домашнее задание №2 
35 

4.3. Домашнее задание №3 
39 

4.4. Домашнее задание №4 
44 

4.5. Домашнее задание №5 
51 

5. Требования к отчету 
55 

Библиографический список 
56 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Сегодня стали и сплавы остаются основными материалами во всех 
областях современной техники. Поэтому перед каждым специалистом, работа которого связана с использованием металлических материалов, так или иначе встает проблема выбора оптимального материала и технологии его обработки для конкретных изделий. 

Такой выбор невозможен без знаний взаимосвязей химического 
состава, структуры и свойств материалов, а также основных способов термической обработки, позволяющей обеспечить требуемые 
структуру и свойства материала в изделии. Необходимо также представлять, как и в каких условиях работают те или иные детали машин 
и конструкций, какие требования по механическим и другим свойствам, а также по надежности и безопасности при эксплуатации к ним 
предъявляются. 

Основная задача настоящего пособия – дать студентам первичную 
информацию, необходимую для подготовки к практическим занятиям и 
выполнения индивидуальных заданий по курсам «Специальные стали и 
сплавы», «Металловедение и термическая обработка металлов» с целью 
научить применять знания в области металловедения и термической 
обработки сталей и сплавов, а также для правильного выбора материала 
для различных деталей машин, конструкций и инструмента. 

В течение семестра студенты выполняют следующие домашние 
задания: 

• ДЗ-1. Выбрать сталь и режим термической обработки детали 
двигателя (механизма, конструкции) для работы в условиях контактных нагрузок и трения; 

• ДЗ-2. Выбрать сталь и режим термической обработки детали 
двигателя (механизма, конструкции) на заданную прочность при заданных условиях эксплуатации; 

• ДЗ-3. Выбрать сталь и режим термической обработки режущего (штампового, мерительного) инструмента для определенных условий эксплуатации; 

• ДЗ-4. Выбрать сталь или сплав и режим термической обработки детали двигателя (механизма, конструкции) для работы в сложных условиях (агрессивная среда, высокая температура); 

• ДЗ-5. Выбрать сталь и режим термической обработки детали 
механизма (конструкции) для работы в предложенных условиях эксплуатации. 

4 

Вводная теоретическая часть пособия никак не может заменить 
учебники или материал лекционного курса, но является хорошим 
дополнением к ним. 

Для выполнения домашних заданий студентам необходимо изучить соответствующие разделы курса, изложенные на лекциях и в 
рекомендованных учебниках, в том числе: основные виды механических испытаний и механических свойств; виды термической обработки, структурные и фазовые превращения в сталях; принципы легирования и влияние легирующих элементов на структуру и свойства 
сталей; основные группы промышленных сталей. Необходимо также 
освоить методики выбора материала и режимов термической обработки для деталей определенного назначения, которые включают 
анализ условий работы изделия, определение характера нагрузок и 
уровня свойств, которыми должен обладать материал изделия; выбор 
материала и способа термической обработки для получения требуемых свойств. 

Вся необходимая для такого выбора информация содержится в 
рекомендованной литературе. 

5 

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ 
И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 

Существует несколько видов стандартных механических испытаний, по результатам которых можно определить характеристики 
прочности, пластичности и вязкости. 

При испытаниях на одноосное растяжение определяют: 
а) прочностные свойства, характеризующие сопротивление материала образца деформации и разрушению: 

- условный предел упругости ау - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной небольшой величины (обычно 
0,005...0,05 %), указываемое в обозначении условного предела упругости: О0 05, О001 и т.д.; 

- условный предел текучести О0,2 - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает величины 0,2 % от начальной расчетной длины образца/0; 

- физический предел текучести ат - напряжение, при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки, соответствующей площадке текучести на диаграмме деформации; 

- условный предел прочности (временное сопротивление) ОВ - напряжение, характеризующее сопротивление максимальной равномерной деформации; 

б) пластические свойства, характеризующие способность материала пластически деформироваться при нагружении до разрушения. 

Такие деформации обычно характеризуются относительным удлинением 6 = (4к –/0) / /0 • 100 %, где /0 и 4 - начальная и конечная длина образца соответственно, и относительным сужением \|/ = (F0–Fк) / 
F0 • 100 %, где F0 и Fк - начальная и конечная площади поперечного 
сечения образца. 

Твердость - свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при 
местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого тела (индентора) определенной формы и размера. 

Твердость определяют различными методами. Числа твердости по 
Бринеллю (НВ) и Виккерсу (HV) характеризуют сопротивление материала значительной пластической деформации и являются усредненными условными напряжением в зоне контакта индентор-образец. Числа твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, 

6