Обоснование выбора материалов при технической подготовке производства деталей машин

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

А.И. Кондаков, А.С. Васильев 
 
 
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ  
ПРИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ  
ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия для студентов высших  
учебных заведений, обучающихся по направлению  
150400 «Технологические машины и оборудование»  
специальности 150401 «Проектирование  
технических и технологических комплексов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 0 8  

УДК 621.7.01(075.8) 
ББК 34.43 
К644 
Рецензенты: Г.Н. Васильев, А.Н. Иноземцев 

 
  
  
 
Кондаков А.И., Васильев А.С. 
 
Ч 24 
 
Обоснование выбора материалов при технической подготовке производства деталей машин: Учеб. пособие. — М.: 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 171 с.: ил.  

ISBN 978-5-7038-3121-2 

Рассмотрены характеристики эксплуатационных и технологических свойств основных конструкционных материалов, используемых при изготовлении деталей машин. Предложена методика принятия решений при выборе материалов. 
Для студентов 4–6-го курсов машиностроительных специаль- 
ностей, выполняющих проектирование конструкций машин и разработку технологических процессов их изготовления. 
 
УДК 621.7.01(075.8) 
ББК 34.43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3121-2  
 
 
     © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

 
К644 

ВВЕДЕНИЕ 

Важнейшим этапом создания машины является выбор материалов для изготовления ее деталей. Свойства материалов в значительной  мере определяют эксплуатационное качество деталей и 
машины в целом, технологию изготовления деталей и соответствующие производственные затраты. 
Выбор материала — задача конструктора машины, зачастую не 
обладающего полной информацией для ее эффективного решения. 
Указанная информация рассредоточена по многочисленным источникам, методики выбора материала разработаны недостаточно. 
Последствия необоснованного выбора материала негативно сказываются практически на всех этапах жизненного цикла изделия и 
способствуют снижению его конкурентоспособности. 
Содержание предлагаемого учебного пособия вооружает формирующихся специалистов-конструкторов и технологов необходимой информацией и методологией ее использования для об- 
основанного решения задач выбора материалов деталей. Принципиальным отличием предлагаемого пособия от литературных источников, которые могли бы рассматриваться как аналоги, является ориентированность на комплексное решение задач выбора 
(критерии и правила выбора, обоснование решений и т. п.) с позиций жизненного цикла изделия в целом. 
Пособие может быть использовано студентами конструкторских и технологических специальностей при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также иных учебных работ, связанных с технической подготовкой производства машин различных 
функциональных классов. 

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СВОЙСТВ  
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Техническая подготовка объединяет конструкторскую и технологическую подготовку производства машин. 
При проектировании машины и ее деталей конструктор решает 
важнейшую задачу выбора необходимых материалов, из которых 
должны быть изготовлены детали. Правильный выбор материалов 
деталей в значительной мере определяет эксплуатационное ка- 
чество машины в целом. 
Выбирая материал конкретной детали, конструктор в первую 
очередь должен учитывать: 
– условия эксплуатации детали; 
– необходимые эксплуатационные свойства как детали в целом, так и ее отдельных зон или даже поверхностей; 
– технологические свойства материалов, которые в принципе 
можно использовать для изготовления детали; 
– экономические характеристики материала и процессов изготовления из него деталей; 
Условия эксплуатации детали определяют: 
– характер и предельные значения нагрузок, действующих на 
деталь в процессе эксплуатации; 
– предельные значения давления, воспринимаемого отдельными зонами (поверхностями) детали и деталью в целом со стороны 
рабочего тела или взаимодействующих деталей; 
– предельные диапазоны температур эксплуатации (экстремальные значения температур эксплуатации); 
– характеристики агрессивности внешней для детали среды; 
– ожидаемый (расчетный) срок службы (ресурс) детали. 
Характер нагрузок (статические, динамические, знакопеременные, ударные и т. д.) конструктор оценивает исходя из рабочего 

процесса, реализующегося в разрабатываемой конструкции машины. Предельные значения нагрузок оценивают по результатам 
проводимых конструкторских расчетов. Аналогично определяют 
значения давления, а также диапазоны температур эксплуатации 
детали. 
В зависимости от расчетного срока службы различают детали: 
а) однократного применения — время эксплуатации измеряется минутами; 
б) кратковременного срока службы — время эксплуатации до 
100 ч; 
в) ограниченного срока службы — до 1 000 ч; 
г) длительного срока службы — до 10 000 ч; 
д) весьма длительного срока службы — до 100 000 ч. 
Исходя из условий эксплуатации, расчетного срока службы и 
заданных основных показателей эксплуатационного качества, определяют основные необходимые эксплуатационные свойства детали в целом, а также ее отдельных зон и поверхностей. Эти свойства в первую очередь определяются материалом детали. 
Свойства материала должны обеспечить надежное выполнение 
комплекса функций детали в течение всего срока ее службы в заданных условиях эксплуатации. 
К физико-химическим характеристикам материала относят 
плотность, температуру плавления, коэффициенты линейного и 
объемного расширения, электро- и теплопроводность, способность 
к химическому взаимодействию с агрессивными средами, антикоррозионные характеристики материала и т. д. Перечисленные характеристики во многом зависят от химического состава (компонентов) материала, в частности от сплава и его структуры (табл. 1). 
Важнейшим эксплуатационным свойством материала является 
прочность — способность материала сопротивляться деформации 
или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. К основным характеристикам прочности, определяемым при 
испытании на растяжение одного образца, относят [1]: физический 
предел текучести σт; предел прочности σв при разрыве; относительное удлинение δ; относительное сужение ψ; модуль упругости Е. 
Большое значение при выборе материала (особенно если конструктор должен учитывать ограничения по массе машины и ее элементов) имеет удельная прочность, определяемая отношением преде

ла прочности σв к плотности материала γ. Размерность величины 
удельной прочности не имеет существенного значения, она должна 
быть одинаковой для сравниваемых материалов (табл. 2). 

Таблица 1 

Плотность, коэффициент линейного расширения  
и температура плавления некоторых материалов 

Наименование материала 

Обозначение 

Плотность, 
г/см3 

Коэффициент 
линейного 
расширения на 
1 °С, ×10–6 

Температура 
плавления, 
°С 

Сталь углеродис- 
тая закаленная 
— 
7,5 – 7,85 
12,0 
1300 – 1400 

Сталь углеродис- 
тая незакаленная 
— 
7,5 – 7,85 
11,5 
1300 – 1400 

Титан 
Тi 
4,50 
7,1 
1800 

Хром 
Сr 
7,14 
8,1 
1550 

Цинк 
Zn 
7,14 
32,5 
419 

Чугун 
— 
7,0 – 7,7 
10,4 
1130 – 1200 

Таблица 2 

Значения удельной прочности для некоторых материалов 

Материал 
Плотность, г/см3 
Предел прочности, МПа 
Удельная прочность, усл. ед. 

Сталь 40 
7,7 
600 
78 

Чугун СЧ30 
7,6 
300 
42 

Алюминиевый 
сплав АМг6 
2,7 
300 
111 

Титановый 
сплав ВТ6 
4,5 
1000 
222 

Медный сплав 
ЛС59-1 
8,89 
400 
45 

 
Показателями пластичности, характеризующими способность 
материала деформироваться, не разрушаясь, являются относительное удлинение δ и относительное сужение ψ после разрыва. Чем 

больше значения указанных величин, тем более пластичен материал. Например, техническое железо при растяжении до разрыва удлиняется в 1,5 раза, а у серого чугуна относительное удлинение и 
относительное сужение близки к нулю. Для изготовления большинства деталей машин и конструкций используют пластичные 
материалы, поскольку они не подвержены опасности внезапного 
разрушения. 
Прочность при динамических нагрузках характеризуется ударной вязкостью, определяемой при разрушении ударом образца с 
концентратором вида U (KCU) или V (KCV). Усталостную прочность как способность материала выдерживать, не разрушаясь, 
значительное число знакопеременных циклов нагружения характеризует предел выносливости σ–1 при симметричном цикле растяжения-сжатия. 
При разрушении образца удар воспринимается не площадью 
сечения образца, а определенным объемом вокруг места надреза 
образца (концентратора), в котором происходит деформация. Чем 
больше этот деформируемый объем, тем выше способность материала рассредоточивать энергию деформации и тем больше значение ударной вязкости. При повышении прочности материала ударная вязкость снижается (если снижается пластичность). Ударная 
вязкость значительно изменяется при понижении температуры, 
когда вязкое разрушение становится хрупким. Испытания на ударную вязкость используют для определения хладноломкости, т. е. 
перехода стали из вязкого в хрупкое состояние при пониженной 
температуре. 
Усталостное разрушение наблюдают у деталей, которые эксплуатируются в условиях многократно повторяющихся знакопеременных нагружений (валы, оси, шатуны, рессоры и др.). Значение предела выносливости для сталей устанавливают при  
107 повторно-переменных нагружений (циклов), для цветных металлов — при 108 циклов. Известно приближенное соотношение 

 
σ–1 ≈ (0,36…0,62)σв. 

Предел выносливости существенно зависит от состояния поверхности детали: большая шероховатость поверхности, наличие 
рисок, надрезов, царапин, следов коррозии существенно снижают 
предел выносливости. В местах указанных дефектов зарождаются 

микротрещины. Конструктор должен учитывать это обстоятельство 
при назначении технических требований на изготовление детали. 
Показателем способности материала сопротивляться проникновению в него другого тела является твердость. Твердость  
широко используют для оценки или задания механических (эксплуатационных) свойств материала при разработке конструкций 
деталей. Это находит свое отражение в указании характеристик 
твердости на рабочих чертежах последних или в качестве обязательного параметра модели создаваемой детали. 
Характеристики твердости зависят от метода ее определения. В 
машиностроении для определения твердости как металлических, 
так и неметаллических материалов наиболее часто используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса [1]. Между числовыми значениями характеристик твердости, полученными различными методами, существуют определенные соотношения (табл. 3). 

Таблица 3 
Соотношения между числовыми значениями твердости,  
измеренной различными методами 

По Бринеллю (НВ) 
По Роквеллу (НRC) 
По Виккерсу (НV) 

333 
36,0 
342 

331 
35,8 
340 

329 
35,6 
337 

327 
35,4 
335 

325 
35,2 
333 

323 
34,9 
331 

321 
34,7 
328 

319 
34,5 
326 

317 
34,3 
324 

315 
34,1 
322 

313 
33,8 
320 

311 
33,6 
317 

309 
33,4 
315 

307 
33,2 
313 

306 
33,0 
311 

304 
32,7 
309 

Продолжение табл. 3 

По Бринеллю (НВ) 
По Роквеллу (НRC) 
По Виккерсу (НV) 

302 
32,5 
307 

300 
32,3 
305 

298 
32,1 
303 

297 
31,9 
301 

295 
31,6 
299 

293 
31,4 
298 

292 
31,2 
296 

290 
31,0 
294 

288 
30,8 
292 

287 
30,5 
290 

285 
30,3 
288 

283 
30,1 
286 

282 
29,9 
285 

280 
29,7 
283 

278 
29,4 
281 

277 
29,2 
280 

275 
29,0 
278 

274 
28,8 
276 

272 
28,6 
274 

271 
28,3 
273 

269 
28,1 
271 

268 
27,9 
270 

266 
27,7 
268 

265 
27,5 
266 

263 
27,3 
265 

262 
27,1 
263 

260 
26,8 
262 

259 
26,6 
260 

257 
26,4 
259 

256 
26,2 
257 

255 
26,0 
256 

253 
25,8 
254 

252 
25,6 
253 

Окончание табл. 3 

По Бринеллю (НВ) 
По Роквеллу (НRC) 
По Виккерсу (НV) 

251 
25,4 
251 

249 
25,2 
250 

248 
25,0 
249 

246 
24,8 
247 

245 
24,6 
246 

244 
24,4 
244 

243 
24,2 
243 

241 
24,0 
242 

240 
23,8 
240 

239 
23,6 
239 

237 
23,4 
238 

236 
23,2 
237 

235 
23,0 
235 

234 
22,8 
234 

232 
22,6 
233 

231 
22,4 
231 

230 
22,2 
230 

229 
22,0 
229 

228 
21,8 
228 

226 
21,6 
227 

225 
21,5 
225 

 
Значение твердости характеризует предел прочности сталей 
(кроме аустенитной и мартенситной структур) и многих цветных 
сплавов (табл. 4). 
Указанной количественной зависимости не наблюдается для 
хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение, сжатие, кручение и изгиб разрушаются без заметной пластической 
деформации, а при измерении твердости получают пластическую 
деформацию. Однако в ряде случаев и для этих материалов  
(например, серых чугунов) можно установить подобную зависимость. Твердость, установленная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлических материалов 
(медь, дюралюминий, сталь в отожженном состоянии).