Технология конструкционных материалов

УДК 669.018.29.004.14(075.8) 
ББК 34.5я 7 
Т66 

Рецензенты:  

декан заочного факультета Института дистанционного  
образования МГИУ канд. техн. наук, проф. В.Н. Прохоров; 
зав. кафедрой «Технологии машиностроения»  
МГТУ им. Н.Э. Баумана д-р техн. наук, проф. А.С. Васильев 

Третьяков А. Ф. 
Т66 
  Технология конструкционных материалов. Курс лекций : 
учеб. пособие (с мультимедийным пособием на оптическом 
диске) / А. Ф. Третьяков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 327, [1] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-3361-2 
Содержит текст 25 лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов», в которых рассмотрены основные процессы, протекающие при изготовлении изделий в парогазовой, 
жидкой и твердой фазах. Сформулированы основные принципы 
выбора рационального технологического метода получения заготовок. Приведены рекомендации по обеспечению технологичности 
заготовок и деталей при их проектировании. Особое внимание уделено процессам механической обработки заготовок резанием и 
влиянию на качество деталей силового взаимодействия изделия с 
инструментом. 
К изданию прилагается оптический диск, содержащий курс 
лекций, словарь терминов и определений, анимационные изображения и видеофрагменты технологических процессов получения и 
обработки заготовок, а также кроссворды как форма проверки знаний обучающихся.  
Содержание учебного пособия соответствует программе и курсу лекций, читаемых автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов, бакалавров и магистров технических вузов, а 
также преподавателей и инженеров. 

УДК 669.018.29.004.14(075.8) 
ББК 34.5я 73 

 
 Третьяков А.Ф., 2010 
 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3361-2  
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

Содержание 
3 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие ............................................................................................. 
9 

Лекция 1. Введение .................................................................................. 12 

Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 17 

Лекция 2. Конструкционные материалы на металлической  
основе и их технологические свойства ................................................ 18 

2.1. Классификация конструкционных материалов ............................... 18 
2.2. Факторы, влияющие на свойства металлов и сплавов .................... 21 
2.3. Классификация композиционных материалов. Технологические 
       процессы их получения ..................................................................... 25 
2.4. Технологические свойства материала заготовок ............................ 30 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 31 

Лекция 3. Технологические процессы формообразования  
заготовок .............................................................................................. 32 

3.1. Термины и определения .................................................................... 32 
3.2. Основные виды заготовок и их характеристики ............................. 34 
3.3. Качество и технологичность заготовок ............................................ 37 
3.4. Формообразующие технологические процессы .............................. 39 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 40 

Лекция 4. Получение заготовок и их обработка  
в парогазовой фазе .................................................................................. 41 

4.1. Физическое и химическое осаждение материалов .......................... 41 
4.2. Основные области применения процессов осаждения  
       из парогазовой фазы .......................................................................... 46 
4.3. Химико-термическая обработка заготовок ...................................... 51 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 52 

Лекция 5. Получение заготовок и их обработка в жидкой фазе .......  53 

5.1. Основные фазы кристаллизации ....................................................... 53 

Содержание 

 
4 

5.2. Причины образования дефектов при кристаллизации  
       и охлаждении заготовок .................................................................... 56 
5.3. Получение заготовок методами литья и сварки плавлением ......... 58 
5.4. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий ......................... 59 
5.5. Термическая резка заготовок ........................................................................ 63 
5.6. Электроэрозионная и электрохимическая обработки заготовок ............ 67 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 68 

Лекция 6. Получение заготовок и их обработка в твердой фазе .......  70 

6.1. Пластическая деформация заготовок ............................................... 70 
6.2. Механизм деформации монокристалла и поликристаллического  
       тела ...................................................................................................... 72 
6.3. Влияние условий деформирования на технологические процессы  
       обработки заготовок давлением и резанием .................................... 75 
6.4. Общие закономерности формирования сварных соединений  
        в твердом состоянии и получения заготовок методами  порошковой  
        металлургии ....................................................................................... 77 
6.5. Нанесение покрытий на поверхности трения .................................. 79 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 82 

Лекция 7. Выбор метода получения заготовки конструируемой 
детали ........................................................................................................ 83 

7.1. Основные принципы выбора метода получения заготовки ........... 83 
7.2. Технологические возможности основных методов  получения  
        заготовок ............................................................................................ 84 
7.3. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки ............ 86 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 93 

Лекция 8. Основы металлургических процессов производства  
чугуна и стали .......................................................................................... 94 

8.1. Современное металлургическое производство ............................... 94 
8.2. Производство чугуна ......................................................................... 95 
8.3. Производство стали ........................................................................... 97 
8.4. Внедоменное получение железа ....................................................... 102 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 104 

Лекция 9. Изготовление заготовок в условиях металлургического 
производства ............................................................................................ 105 

9.1. Внепечная обработка стали ............................................................... 105 
9.2. Переплавные процессы ...................................................................... 106 
9.3. Продукция металлургического производства ................................. 110 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 114 

Содержание 
5 

Лекция 10. Технологические процессы механической обработки 
заготовок резанием ................................................................................. 115 

10.1. Особенности технологических процессов механической  
         обработки заготовок ......................................................................... 115 
10.2. Физические закономерности механической обработки  
         резанием ............................................................................................ 117 
10.3. Свойства обработанной поверхности ............................................. 121 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 123 

Лекция 11. Влияние силового взаимодействия инструмента 
и заготовки на качество изделия.......................................................... 124 

11.1. Силы, возникающие в процессе резания ........................................ 124 
11.2. Деформация заготовок в процессе резания ................................... 126 
11.3. Тепловые явления при механической обработке заготовок ...........  129 
11.4. Изнашивание инструментов в процессе резания .......................... 131 
11.5. Свойства инструментальных материалов ...................................... 132 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 136 

Лекция 12. Обрабатываемость материалов резанием  
и способы ее повышения ....................................................................... 137 

12.1. Обрабатываемость материалов ....................................................... 137 
12.2. Основные способы улучшения обрабатываемости ....................... 139 
12.3. Технологические особенности механической обработки  
заготовок из основных конструкционных материалов .......................... 143 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 148 

Лекция 13. Технологические особенности механической обработки 
поверхностей заготовок лезвийным инструментом ......................... 149 

13.1. Обработка точением поверхностей заготовок ............................... 149 
13.2. Поперечное, продольное строгание и долбление заготовок ........ 152 
13.3. Обработка заготовок протягиванием ............................................. 153 
13.4. Обработка заготовок осевым режущим инструментом ................ 155 
13.5. Обработка заготовок фрезерованием ............................................. 157 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 159 

Лекция 14. Отделочная обработка поверхностей заготовок ........... 160 

14.1. Технологические особенности обработки поверхностей  
         заготовок шлифованием .................................................................. 160 
14.2. Технологические процессы отделочной обработки поверхностей 
          заготовок .......................................................................................... 162 
14.3. Обработка поверхностей пластическим деформированием ......... 167 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 169 

Содержание 

 
6 

Лекция 15. Обработка основных поверхностей заготовок  
резанием .................................................................................................... 170 

15.1. Обработка поверхностей тел вращения ......................................... 170 
15.2. Обработка плоских поверхностей .................................................. 175 
15.3. Нарезание резьбы на заготовках ..................................................... 177 
15.4. Обработка поверхностей заготовок деталей с периодически  
         повторяющимся профилем .............................................................. 178 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 182 

Лекция 16. Конструирование и изготовление деталей 
с использованием механической обработки заготовок резанием ....... 184 

16.1. Общие технологические требования к деталям ............................ 184 
16.2. Конструктивные и технологические мероприятия, обеспечивающие 
         повышение технологичности детали .............................................. 188 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 193 

Лекция 17. Конструирование и изготовление заготовок  
обработкой  давлением ........................................................................... 194 

17.1. Особенности получения заготовок обработкой давлением ............  194 
17.2. Пластичность и сопротивление деформированию ........................ 196 
17.3. Общая характеристика кузнечно-штамповочного  
         производства ..................................................................................... 198 
17.4. Конструирование кованых заготовок ............................................. 200 
17.5. Технологические особенности изготовления заготовок  
         ковкой ................................................................................................ 201 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 204 

Лекция 18. Технологические особенности изготовления поковок 
объемной штамповкой ........................................................................... 206 

18.1. Разновидности объемной штамповки ............................................ 206 
18.2. Классификация поковок .................................................................. 209 
18.3. Конструирование заготовок, получаемых объемной  
         штамповкой ...................................................................................... 209 
18.4. Обеспечение технологичности штампованной заготовки ............ 214 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 216 

Лекция 19. Технологические особенности изготовления  
изделий листовой штамповкой ............................................................. 217 

19.1. Общая характеристика технологических процессов получения  
         изделий из листовых заготовок ....................................................... 217 
19.2. Основные технологические операции листовой штамповки ............ 218 

Содержание 
7 

19.3. Конструирование технологичных изделий, изготавливаемых  
         листовой штамповкой ...................................................................... 223 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................  227 

Лекция 20. Конструирование и изготовление заготовок методами 
порошковой металлургии ...................................................................... 229 

20.1. Особенности получения заготовок ................................................. 229 
20.2. Физико-механические основы прессования и спекания  
         порошков ........................................................................................... 230 
20.3. Проектирование технологичных заготовок ................................... 233 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 236 

Лекция 21. Изготовление заготовок методом литья ......................... 237 

21.1. Основные особенности процессов получения отливок ................ 237 
21.2. Технико-экономические показатели основных способов  
         получения отливок ........................................................................... 238 
21.3. Выбор рационального способа литья заготовки проектируемой  
         детали ................................................................................................ 247 
21.4. Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные  
         размеры и форму отливок ............................................................... 250 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 257 

Лекция 22. Конструирование технологичных отливок .................... 259 

22.1. Область рационального применения литейных сплавов .............. 259 
22.2. Технологические особенности получения отливок  из основных  
         конструкционных материалов ........................................................ 261 
22.3. Классификация отливок по группам сложности и классам  
         точности ............................................................................................ 264  
22.4. Общие принципы конструирования литых деталей ..................... 266 
22.5. Особенности конструирования заготовок, изготавливаемых  
         специальными способами литья ..................................................... 271 
22.6. Обеспечение технологичности конструкции отливки  
         проектируемой детали ..................................................................... 272 
22.7. Термическая и механическая обработки отливок ......................... 279 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 282 

Лекция 23. Изготовление сварных заготовок ..................................... 284 

23.1. Технологические особенности изготовления сварных  
         и паяных заготовок .......................................................................... 284 
23.2. Образование межатомных связей при сварке ................................ 288 
23.3. Напряжения и деформации при сварке .......................................... 289 

Содержание 

 
8 

23.4. Дефекты в сварных соединениях и методы контроля .................. 293 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 294 

Лекция 24. Конструирование технологичных сварных изделий ......... 295 

24.1.Свариваемость материалов .............................................................. 295 
24.2. Технологические особенности получения сварных соединений  
         из основных конструкционных материалов .................................. 298 
24.3. Общие принципы конструирования сварных заготовок .............. 300 
24.4. Технологичность сварных заготовок ............................................. 301 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 309 

Лекция 25. Примеры конструирования и изготовления типовых 
деталей ...................................................................................................... 311 

25.1. Корпусные детали ............................................................................ 311 
25.2. Валы и оси ........................................................................................ 314 
25.3. Втулки ............................................................................................... 317 
25.4. Зубчатые колеса ............................................................................... 320 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 323 

Заключение ...................................................................................................  324 
Литература ............................................................................................... 325 
 

Предисловие 
9 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Независимо от сферы деятельности инженер должен обладать 
широкими знаниями в области конструирования и технологии изготовления деталей, машин, приборов, их ремонта и утилизации. 
При конструировании изделий необходимо понимать, что технология их изготовления предполагает неразрывную последовательность процессов получения и последующей обработки заготовок. 
Конструкция изделия может быть технологичной, если при проектировании заготовок учтены требования технологических процессов изготовления деталей из них. 
В становлении современных инженеров дисциплина «Технология конструкционных материалов» (ТКМ) занимает особое место, так как одной из первых она способствует формированию 
мышления будущего инженера, который в последующем должен 
разрабатывать различные конструкции машин и приборов. В 
предлагаемом пособии описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о 
строении и свойствах конструкционных материалов. Комплекс 
этих знаний обеспечивает универсальный подход к изучению 
технологии. 
Учебное пособие «Технология конструкционных материалов. 
Курс лекций» подготовлено на кафедре «Технология обработки 
материалов» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Оно обобщает многолетний 
опыт преподавания этой дисциплины. В ряде случаев курс лекций 
отражает личную точку зрения автора. Комплект включает книгу и 
мультимедийное пособие на DVD, в котором широко использованы возможности современных информационных технологий: интерактивный словарь терминов и определений, цветные и чернобелые графические иллюстрации, анимационные изображения и 
видеофрагменты многочисленных технологических процессов получения заготовок и их обработки. Приведенные в учебном пособии вопросы для самоконтроля будут полезны не только студен

Предисловие 

 
10

там при подготовке к рубежным контролям, зачетам, экзаменам, 
но и преподавателям при составлении экзаменационных билетов 
по дисциплине. 
Учебное пособие содержит 25 лекций, которые разбиты на 
пять модулей. 
В первом модуле — лекции 1–7 — приведены общие закономерности формирования структуры и свойств материала изделий, 
термины и определения, рассмотрены основные виды заготовок, 
параметры качества и технологичности конструкций. Сформулированы физико-химические основы технологических процессов 
получения заготовок и их обработки в парогазовой, жидкой и твердой фазах. Рассмотрены основные принципы и факторы, определяющие выбор оптимального метода получения заготовок конструируемых деталей. 
Лекции 8 и 9 (второй модуль) посвящены изучению основных 
физико-химических процессов, протекающих в металлургических 
агрегатах при выплавке чугуна и передела его в сталь. Приведены 
данные по рафинированию стали и технологии получения профилей прокаткой, прессованием и волочением. 
В лекциях 10–16 (третий модуль) основное внимание уделено 
физическим закономерностям механической обработки заготовок 
резанием, обрабатываемости материалов резанием и способам ее 
повышения, технологическим особенностям механической обработки заготовок из основных конструкционных материалов. Изложены технологические особенности обработки плоских, цилиндрических и конических поверхностей лезвийным и абразивным 
инструментами. В этой части учебного пособия описаны конструктивные и технологические мероприятия, обеспечивающие повышение технологичности деталей, изготавливаемых с помощью 
механической обработки резанием. 
В четвертом модуле — лекции 17–24 — рассмотрены технологические особенности получения заготовок обработкой давлением 
(ковкой, объемной и листовой штамповкой), методами порошковой 
металлургии, литьем и сваркой. Приведены основные рекомендации 
по обеспечению технологичности заготовок при проектировании и 
технологические возможности основных методов (способов, видов) 
изготовления заготовок. Рассмотрены вопросы конструирования и 
производства технологичных изделий методами обработки давлением, порошковой металлургии, литьем и сваркой.