Выбор материалов и технологий в машиностроении

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано
ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический 
университет имени Н.Э. Баумана» в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 22.03.01 «Материаловедение 
и технологии материалов» (рег. № 1582 от 30.11.2011, МГУП)

А.М. ТОКМИН
В.И. ТЕМНЫХ
Л.А. СВЕЧНИКОВА

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ 
И ТЕХНОЛОГИЙ 
В МАШИНОСТРОЕНИИ

 
Москва 
Красноярск
 
ИНФРА-М 
СФУ

2021

УДК 621(075.8)
ББК 34.5я73
 
Т51

Токмин А.М.
Выбор материалов и технологий в машиностроении : учебное 
пособие / А.М. Токмин, В.И. Темных, Л.А. Свечникова. — Москва : 
ИНФРА-М ; Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2021. — 235 c. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/426.

ISBN 978-5-16-016774-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104922-8 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-7638-2238-0 (СФУ)

В настоящем пособии изложены основные сведения о конструкционных и инструментальных материалах, наиболее широко используемых в промышленности, с учетом требований, предъявляемых к ним 
в условиях эксплуатации. Приведены технологические процессы обработки материалов и факторы, определяющие выбор метода получения заготовки. Даны математические основы принятия оптимальных 
решений задач применительно к выбору материалов и технологий.
Учебное пособие предназначено для студентов высшего образования группы направлений бакалавриата 23.00.00 «Технологии материалов».

УДК 621(075.8)
ББК 34.5я73

Т51

ISBN 978-5-16-016774-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104922-8 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-7638-2238-0 (СФУ)

Р е ц е н з е н т ы:
Г.Г. Крушенко, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН, д-р техн. наук, профессор;
В.А. Меновщиков, зав. кафедрой «Детали машин и технология 
металлов» Красноярского государственного аграрного университета, 
д-р техн. наук, профессор

© Токмин А.М., 2013
© Сибирский федеральный 
университет, 2013

ВВедение

Задача выбора материала для изготовления тех или иных деталей 

является нетривиальной. Нетривиальность задачи обусловлена большим разнообразием конструкционных материалов, оценить перспективность применения которых в каждом конкретном случае весьма непросто. Следует подчеркнуть, что выбор материала обусловливает принятие решений по целому ряду вопросов: выбор технологии 
изготовления детали, способов предварительной и окончательной 
термических обработок; выбор источников сырья, решение вопросов, связанных с организацией производства, и пр. Большое разнообразие конструкционных материалов — традиционных и вновь 
создаваемых — открывает возможность в каждом конкретном случае 
выбрать наиболее подходящий со всех точек зрения материал, но 
одновременно затрудняет эффективное решение поставленной задачи эвристическими методами или методами, ориентированными 
на возможность использования опыта в профессиональной работе 
с материалом данной группы.

В современных условиях оптимальность выбора приобретает 

чрезвычайную актуальность. В первую очередь это вызвано новой 
экономической ситуацией, в которой оказались предприятия. Возможно, что не нужны изделия с высоким ресурсом работы — ведь 
они морально устаревают, — но необходимо иметь надежные во всех 
отношениях изделия, способные гарантированно отработать заданный ресурс при оптимальных затратах. Другими словами, существует 
множество причин, обусловливающих интерес к комплексному решению инженерных задач, в том числе при выборе материала и способа его обработки. Тем более что предпосылки для этого созданы. 
Математика предоставляет в распоряжение инженера-материаловеда мощнейшие методы моделирования и оптимизации, эффективные алгоритмы решения подобного рода задач. Они широко применяются в планировании, системах управления сложными объектами, 
при создании информационных систем и т.д.

Большинство задач выбора материалов и технологических про
цессов характеризуют как многофакторные, многоцелевые (многопараметрические) и многовариантные. Адаптация реальных задач 
с этими признаками к нормальным методам моделирования и оптимизации — другая задача, на которую обращено внимание в данном 
пособии. Следующая задача состоит в том, чтобы среди возможных 
алгоритмов решений выбрать такой, при использовании которого 
в максимальной мере использовался бы творческий потенциал 
и профессионализм инженера-материаловеда при решении узловых 

проблем, а рутинную часть задачи, связанную с перебором однородных состояний, формализовать, т.е. перепоручить вычислительной 
машине с возможностью вести с ней активный диалог.

Следствием неправильного выбора материалов является плохое 

качество конструкций, машин и оборудования. Нередко эти условия 
являются очень специфичными: низкие или высокие температуры, 
агрессивные химические среды, знакопеременные циклические нагружения, особые условия трения и др. Часто материалы работают 
в условиях одновременного воздействия перечисленных выше факторов. Поэтому при выборе материала в первую очередь требуется 
всесторонне рассмотреть условия его работы и ранжировать факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны 
быть учтены обязательно, менее определяющие — по возможности.

Необходимо формировать технические требования к материалу 

на основании моделирования условий работы изделия в реальных 
условиях эксплуатации с использованием специальных стендов, на 
которых с помощью тензометрирования можно определить уровень 
локальных пиковых напряжений в изделии.

В том случае, когда не имеется возможности использовать стенд 

для измерения рабочего напряжения, возникающего в изделии при 
его эксплуатации, следует использовать расчетные методы.

1. 
Общая характеристика
машинОстрОительных материалОВ

1.1. 
классификация машинОстрОительных материалОВ

Перечень конструкционных материалов, применяемых в ма
шино- и приборостроении, довольно широк, и классифицировать 
их можно по разным признакам. Большинство из них, такие как стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в различных деталях и конструкциях. Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определенного 
функционального назначения: жаропрочные, материалы с высокими 
упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.

Предлагаемая классификация подразделяет конструкционные 

материалы 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 кон
струкционные материалы подразделяют на следующие группы.

1. Материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и цик
лическую прочность (стали).

2. Материалы с особыми технологическими свойствами.
3. Износостойкие материалы.
4. Материалы с высокими упругими свойствами.
5. Материалы с малой плотностью.
6. Материалы с высокой удельной прочностью.
7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей 

среды.

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогно
зируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочетание 
высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому сталь является основным и наиболее распространенным конструкционным материалом. Легирование позволяет повысить уровень 
механических свойств. Основными преимуществами легированных 
конструкционных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокалива

емости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость, более высокая прокаливаемость и возможность применения более мягких охладителей после закалки, 
устойчивость против отпуска за счет торможения диффузионных 
процессов. Отпуск при более высокой температуре дополнительно 
снижает закалочные напряжения. Легированные стали обладают более высоким уровнем механических свойств после термической обработки. Поэтому детали из легированных сталей, как правило, 
должны подвергаться термической обработке.

Различают следующие виды конструкционных сталей: углеродис
тые, в том числе автоматные, строительные, цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, подшипниковые, износостойкие.

Классификация углеродистых сталей. Углеродистыми сталями на
зывают сплавы на основе железа с содержанием углерода от 0,05 до 
1,35%. Углеродистые стали подразделяются на конструкционные 
и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,65% С, 
инструментальные — более 0,65% С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали под
разделяются на следующие группы.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на низкоуг
леродистые — до 0,25% С, среднеуглеродистые — от 0,3 до 0,5% С, 
высокоуглеродистые — более 0,5% С.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные при со
держании углерода до 0,8% С, эвтектоидные — 0,8% С и заэвтектоидные — более 0,8% С.

Углеродистые стали, как наиболее дешевые, технологичные 

и имеющие достаточно высокий комплекс механических свойств, 
применяются для металлоконструкций общего назначения, используются в строительных конструкциях, для изготовления деталей в машиностроении и т.д. Стали углеродистые поставляются по ГОСТ 38094 (стали обыкновенного качества), ГОСТ 1050-88 (прокат из углеродистой качественной конструкционной стали).

По назначению стали подразделяются на стали общего и специаль
ного применения. К сталям специального назначения относятся автоматные, котельные, строительные, стали для глубокой вытяжки.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного каче
ства, качественные и высококачественные.

По способу производства стали подразделяют на деформируемые 

и литейные стали.

Согласно диаграмме «железо–углерод», к сталям относят сплавы 

железа с содержанием углерода менее 2,14% (все сплавы левее точки Е). Углерод является важнейшим элементом, определяющим 
структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом измене

нии содержания углерод оказывает заметное влияние на свойства 
стали. С ростом содержания углерода увеличивается твердость 
и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали. 
Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 
0,8–1,0%. При увеличении содержания углерода в стали более 0,8%, 
уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных 
колоний, легко разрушающейся при нагружении.

Углерод оказывает также существенное влияние на технологиче
ские свойства стали — свариваемость, обрабатываемость резанием 
и давлением. Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и имеют высокую обрабатываемость давлением.

Кроме железа и углерода (основных компонентов) в сталях содер
жатся технологические добавки (марганец, кремний) и примеси, 
главными из которых, наиболее вредными, являются сера и фосфор.

Сера и фосфор — основные, наиболее вредные примеси в сталях. 

Массовая доля серы в стали всех марок по ГОСТ 380-94, кроме Ст0, 
должна быть не более 0,050%, фосфора — не более 0,040%, в стали 
марки Ст0: серы — не более 0,060%, фосфора — не более 0,070%. 
Кроме того, вредными примесями в сталях являются кислород, водород и азот. Их присутствие вызывает понижение пластичности.

Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют 

сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают ее вязкость и пластичность. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин — флокенов.

1.2. 
специфика сВОйстВ материалОВ различных
машинОстрОительных классОВ и Области их
целесООбразнОгО испОльзОВания

Автоматные стали. Автоматные стали хорошо обрабатываются 

при больших скоростях резания, и при этом достигается высокое 
качество обрабатываемой поверхности. При их применении снижается расход режущего инструмента. Этих свойств достигают повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.

Сера в автоматной стали находится в виде сульфидов марганца 

MnS, т.е. вытянутых вдоль прокатки включений, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном 
содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца.

Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, 

способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой 
блестящей поверхности при резании.

Стали маркируют буквой А (автоматная), после которой следует 

цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях 
процента; при повышенном содержании в стали марганца в конце 
марки добавляется буква Г, например А40Г. Сталь А12 используют 
для изготовления на быстроходных автоматах винтов, болтов, гаек 
и различных мелких деталей сложной конфигурации. Стали А20, 
А30, А40Г применяют для изготовления на автоматах деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.

Для увеличения производительности станков автоматов на Волж
ском автомобильном заводе применяют стали с добавкой 0,15–
0,3% Pb (AC11, АС14). Свинец, находящийся в стали в виде мельчайших округлых включений, связанных с сульфидами, действует как 
разрушитель стружки сильнее, чем MnS. Пленка свинца, образующаяся при резании, уменьшает трение между инструментом и обрабатываемым изделием.

Стали с повышенным содержанием серы и со свинцом обладают 

большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому 
разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не 
могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных 
деталей.

Улучшение обрабатываемости резанием может быть достигнуто 

и путем легирования стали селеном (~0,1%). Скорость резания повышается в 1,2–1,8 раза, а стойкость инструмента — более чем 
в 2 раза.

Стали с селеном менее склонны к хрупкому разрушению, однако 

механические свойства их ниже, чем у обычных конструкционных 
сталей.

Стали с высокой технологической пластичностью и свариваемостью. 

Технологическая пластичность — способность металла подвергаться 
горячей и холодной пластической деформации.

В горячем (аустенитном) состоянии большинство сталей облада
ют высокой пластичностью, что позволяет получать фасонный прокат и поковки без дефектов (трещин, разрывов и т.п.). Более того, 
горячей обработкой давлением (в сочетании с последующим отжигом) измельчают микроструктуру, устраняют литейные дефекты и, 
формируя волокна вдоль контура поковок, создают благоприятно 
ориентированную макроструктуру. В результате этого горячедеформированный металл в отличие от литого имеет примерно в 1,5 раза 
более высокую конструкционную прочность.

Высокий запас технологической пластичности необходим листо
вым сталям, предназначенным для холодной штамповки. Технологическая пластичность зависит от химического состава стали, ее 
микроструктуры и контролируется параметрами механических 
свойств. Способность стали к вытяжке при холодной штамповке 

определяется концентрацией углерода. Чем она меньше, тем легче 
идет технологический процесс вытяжки. Для глубокой вытяжки 
содержание углерода в стали ограничивают 0,1%; при 0,2–0,3% С
возможны только гибкая и незначительная вытяжка, а при 0,35–
0,45% С — изгиб большого радиуса.

Микроструктура стали должна состоять из феррита с небольшим 

количеством перлита. Выделение по границам зерен структурно-свободного (третичного) цементита строго ограничивается во избежание 
разрывов при штамповке. Лучше всего деформируется сталь с мелким зерном, соответствующим 7–8-му номеру по ГОСТ 5639–92. 
При большем размере зерна получается шероховатая поверхность 
в виде так называемой апельсиновой корки, при меньшем — сталь 
становится слишком жесткой и упругой. Также нежелательна разнозернистая структура, поскольку она способствует неравномерности 
деформации и образованию трещин.

Контролируемыми параметрами механических свойств стали яв
ляются относительное удлинение и относительное сужение.

Для глубокой, сложной и особо сложной вытяжки используют 

малопрочные (280–330 МПа), высокопластичные (33–45%) стали 
05, 08, 10 всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого 
холоднокатаного листа, подвергнутого рекристаллизационному отжигу при температуре 650–690 °С.

Широко применяют кипящие стали 05кп, 08кп и 10кп. Способ
ность этих сталей хорошо штамповаться обусловлена низким содержанием углерода и почти полным отсутствием кремния, который 
сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость. Для 
глубокой вытяжки чаще всего используют сталь 08кп. Из нее штампуют детали кузова автомобиля, корпуса приборов и другие детали 
сложного профиля.

Кипящая сталь из-за повышенной газонасыщенности склонна 

к деформационному старению. В связи с этим для холодной штамповки используют сталь, микролегированную ванадием 08Фкп 
(0,02–0,04% V) или алюминием 08Юкп. Ванадий и алюминий связывают примеси внедрения (азот, кислород) в прочные химические 
соединения и препятствуют развитию деформационного старения. 
Применяются также полуспокойные и спокойные стали 08пс и 08, 
которые, несмотря на меньшую пластичность, обладают более высокой стабильностью свойств.

Свариваемость — способность получения сварного качественного 

соединения. Важно предупредить возникновение в сварном шве различных дефектов: пор, недоваров и, главным образом, трещин. Характеристиками свариваемости данного металла служат количество 
допускаемых способов сварки и простота ее технологии.

Свариваемость стали тем выше, чем меньше в ней углерода и ле
гирующих элементов. Влияние углерода является определяющим. 
Причина холодных трещин — внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях, особенно мартенситном, 
в результате местной закалки (подкалки). Увеличивая объемный 
эффект мартенситного превращения, углерод способствует также 
образованию холодных трещин. В связи с этим высокой свариваемостью обладают стали, содержащие до 0,25% С. К ним относятся 
углеродистые стали (Ст0, Ст1–Ст4; 0,5, 08, 10, 15, 20, 25), а также 
низколегированные, применяемые для изготовления различных металлоконструкций: стали для трубопроводов, мостостроения, вагоностроения, судостроения 09Г2(Д), 09Г2С, 14Г2, 15ГФ(Д), 16ГС, 
17ГС и др.; стали с карбонитридным упрочнением, применяемые для 
мостов, металлоконструкций цехов, кранов, резервуаров 14Г2АФ(Д), 
15Г2СФ(Д), 16Г2АФ и др. Эти стали содержат небольшие добавки 
ванадия в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,025%). 
Введение этих элементов способствует образованию дисперсных 
карбонитридных фаз, измельчающих зерно. В результате повышается прочность стали, и понижается температура перехода в хрупкое 
состояние. Это дает возможность применять такие стали в районах 
с холодным климатом. При добавлении меди (буква Д в марке) стали 
приобретают повышенную стойкость к атмосферной коррозии.

Сварка всех этих сталей при толщинах до 15 мм не вызывает за
труднений. Сварка таких же сталей больших толщин и в термически 
упрочненном состоянии требует подогрева и термической обработки. 
При сварке углеродистых и низколегированных сталей, содержащих 
более 0,3 % С, возникают затруднения из-за возможности закалки 
и охрупчивания околошовной зоны. Сварка высокохромистых и хромоникелевых сталей в связи с неизбежными фазовыми превращениями в металле требует специальных технологических приемов — снижения скорости охлаждения, применения защитных атмосфер и последующей термической обработки.

Цементуемые стали. Конструкционные легированные стали об
щего назначения преимущественно поставляются по ГОСТ 4543-85.

Для цементуемыx изделий применяют стали с содержанием угле
рода 0,1–0,25%. После цементации, закалки и низкого отпуска этих 
сталей цементованный слой должен иметь твердость 58–62 HRC, 
а сердцевина 20–40 HRC. Сердцевина цементуемых сталей должна 
иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Для изделий небольших размеров, работающих на износ и не тре
бующих высокой прочности сердцевины, применяют углеродистые 
стали марок 10, 15, 20. Легированные стали используют для более