Материаловедение. Применение и выбор материалов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 
Ю. П. Солнцев 
Е. И. Борзенко 
С. А. Вологжанина 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.  
Применение и выбор  
материалов 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки 140400 –  
"Техническая физика" 
САНКТПЕТЕРБУРГ 
ХИМИЗДАТ • 2024 

УДК 620.22 
С 601 
Р е ц е н з е н т ы :
1. Кафедра "Материаловедение и технология материалов" Санкт-Петербургского государственного Морского технического университета (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. В. Г. Белецкий)
2. Директор научно-исследовательского центра "ОМЗ-Ижора" докт.
техн. наук Т. И. Титова
Солнцев Ю. П., Борзенко Е. И., Вологжанина С. А. 
С 601 
      Материаловедение. Применение и выбор материалов: 
Учебное пособие., 4-е изд, стереотип. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 
2024. − 200 с.: ил. ISBN 978-5-9388-472-8
Учебное пособие соответствует содержанию федеральной 
дисциплины "Материаловедение" государственных образовательных стандартов направления 140400 "Техническая физика". 
Рассмотрены общие принципы выбора материалов, влияние различных факторов на работоспособность материалов в 
конструкциях, вопросы теории разрушения и примеры практического использования параметров вязкости разрушения, свойства и применение современных конструкционных материалов, 
а также примеры выбора материалов.  
Предназначено для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 140400 "Техническая физика" 
по дисциплинам "Материаловедение" и "Материаловедение и 
технология конструкционных материалов". Может быть использовано для подготовки бакалавров, дипломированных специалистов, магистрантов и аспирантов механических, технологических, экономических и других специальностей. 
С 2703000000–015 
050(01)–24 
Без объявл. 
 Солнцев Ю. П., Борзенко Е. И.,
Вологжанина С. А., 2007 
 ХИМИЗДАТ, 2007, 2024
 
ISBN 978-5-9388-472-8
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Г л а в а  1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
5
1.1. Технические условия и стандарты
10
1.2. Долговечность конструкций и виды отказов
11
Г л а в а  2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
18
2.1. Физико-химические свойства
18
2.2. Механические свойства
18
2.3. Выбор материалов с особыми механическими  
и физическими свойствами 
22
2.4. Технологические свойства
23
Г л а в а  3. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ 
28
3.1. Оценка конструкционной прочности методами  
механики разрушения 
28
3.2. Специальные методы испытаний
35
3.3. Неразрушающие методы контроля качества  
материала 
40
Г л а в а  4. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ 
57
4.1. Сплавы на основе железа
57
4.2. Алюминий, магний и цинк
61
4.3. Титан
65
4.4. Тугоплавкие металлы
66
4.5. Суперсплавы
67
4.6. Бериллий и медь
69
4.7. Керамические материалы
70
4.8. Композиционные материалы
72
Г л а в а  5. ПРИМЕРЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
75
5.1. Особенности выбора конструкционных материалов 
для работы при низких температурах 
75
5.2. Литые стали для горнодобывающей техники,  
работающей в условиях Севера и Сибири 
80
5.3. Метастабильная аустенитная сталь для топливных 
баков техники, работающей на сжиженных газах 
90
5.4. Литейные стали для криогенной  
запорно-регулирующей арматуры 
96
5.5. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали  
для авиакосмической техники 
98
5.6. Стали для сверхпроводящих магнитов установок 
термоядерного синтеза 
100
3

 
5.7. Особенности требований к материалам оборудования 
пищевых производств 
102
 
5.8. Литая сталь для режущего инструмента  
мясоизмельчительных комплексов 
109
ПРИЛОЖЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ 
СПЛАВОВ 
114
Приложение I. 
СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 
114
 
Сталь Ст3 
114
 
Сталь 09Г2С 
117
 
Сталь 20Х 
120
 
Сталь 20ХН 
122
 
Сталь 40Х 
123
 
Сталь 40ХН 
127
 
Сталь 10ХСНД 
130
 
Сталь 12ХГФЛ 
131
 
Сталь 35ХМЛ 
133
 
Сталь 12Х2Н4А 
135
 
Сталь 38ХН3МФА 
137
 
Сталь 30Х13 
138
 
Сталь 0Н9 
140
 
Сталь 08Х18Н10 
143
 
Сталь 12Х18Н9 
145
 
Сталь 12Х18Н10Т 
146
 
Сталь 03Х20Н16АГ6 
154
 
Сталь 04Х21Н16АГ8М2Ф 
158
 
Сталь 06Х15Н9Г8АФ 
159
Приложение II. 
СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ:  
МЕДИ, АЛЮМИНИЯ, ТИТАНА 
162
 
Латунь ЛЦ16К4 (старое название ЛК80-3Л) 
162
 
Бронза БрБ2 
164
 
Сплавы АМц (1400) и АМцС (1401) 
167
 
Сплавы системы алюминий – магний (магналии)
172
 
Сплавы типа дуралюминов Д1, Д1ч, Д16, Д16ч 
182
 
Технический титан ВТ1-0 
187
 
Сплав ВТ5 со структурой α-фазы 
191
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

Г л а в а  1 
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
 
 
 
"У природы нет плохой погоды..." Перефразируя слова известной песни, можно сказать, что плохих материалов не бывает, 
а бывают плохие инженеры, применяющие не те материалы, которые следовало бы использовать в данных конкретных условиях 
эксплуатации. 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 всестороннее рассмотрение 
условий его работы и проведение ранжирования факторов, воздействующих на материал по степени их влияния на надежность 
машины или механизма. Определяющие факторы должны быть 
учтены обязательно, менее определяющие – по возможности. Так, 
например, при выборе сталей и сплавов для газовых турбинных 
двигателей и сопел ракет, работающих в условиях воздействия 
активных газовых сред, следует рассматривать влияние на свойства материалов высоких температур, коррозионного растрескивания, питтинговой и щелевой коррозии, коррозии под напряжением, водородного охрупчивания, эрозии и общей коррозии. 
Однако необходимо обязательно учитывать влияние только первых шести факторов, а общую коррозию, как менее важный фактор, можно учитывать по возможности. 
Следующим этапом выбора материала должен быть процесс 
определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин 
и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно если в конструкции должны работать разные материалы. 
К сожалению, часто комплекс требуемых свойств материала, 
оформленных в виде технических требований или технических 
условий к материалу, составляется не на основе точного анализа и 
моделирования условий работы, а на приблизительных качественных данных или на опыте предыдущей эксплуатации анало 
5

гичного или схожего изделия или конструкции. Однако более 
правильным является формирование технических требований к 
материалу на основании моделирования условий работы изделия 
в реальных условиях эксплуатации с использованием специальных стендов, на которых с помощью тензометрирования можно 
определять 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. 
На рис. 1.1 представлена взаимосвязь между свойствами материала, геометрией проектируемого изделия и производственными возможностями конкретного предприятия. 
Рис. 1.2 представляет более детальную блок-схему, используемую при выборе материалов, например, в аэрокосмической 
сфере, где разработчик, в первую очередь, руководствуется характером применения и конфигурацией (формой) конструкции 
или сборки.  
Затем определяются внешние напряжения, действующие на 
конструкцию в процессе транспортировки, хранения и службы. 
Наконец, разрабатывается всесторонняя материальная база данных, включающая механические и антикоррозионные свойства, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.1. Взаимосвязь между свойствами материала, геометрией проекта и характеристиками производства. Общая стоимость, масса и использование деталей 
в конструкциях определяются этими тремя проектными факторами 
 
6 

 
Рис. 1.2. Блок-схема процесса выбора материала 
 
необходимые для оптимального срока службы транспортного 
средства при ожидаемых эксплуатационных режимах. Эти свойства включают: 
• Временное сопротивление разрыву (предел прочности при 
растяжении). 
• Условный предел текучести. 
• Ударную вязкость. 
• Твердость. 
• Вязкость разрушения (трещиностойкость). 
 
7

• Коррозионную стойкость и износостойкость. 
• Плотность (этот фактор очень важен для воздушных, наземных и морских транспортных средств). 
Как только эти начальные параметры определены и данные 
собраны, разработчик составляет список наиболее пригодных материалов, из которых выбирается наилучший материал для использования в конкретной конструкции. Этот список должен 
включать используемые способы производства и методы гарантии 
качества, осуществляемые при изготовлении каждого рассматриваемого материала, так как это оказывает существенное влияние 
на его свойства и стоимость конечного изделия. Например, в случае стальных конструкций технологический процесс может включать различные типы термомеханической обработки, чтобы обеспечить структурные требования для существенного увеличения 
прочности. В качестве примера можно привести два конкретных 
случая, требующих обеспечения очень высокой прочности, – главные механизмы шасси самолета и лопасти винта главного ротора 
вертолета. 
Разработчик определяет наиболее подходящий материал для 
данного применения, основываясь также на стоимости рассматриваемых материалов. 
Использование при выборе материалов, ранее хорошо зарекомендовавших себя в подобных конструкциях и изделиях из 
аналогичных материалов, вполне оправдано, но может привести, с одной стороны, к отказу от совершенствования конструкций и изделий, а с другой – к повторению уже сделанных ошибок. 
Конструктор должен ясно представлять себе причины использования данного материала, возможности его замены, технологические особенности производства изделий из выбранного материала и методы контроля готовых изделий. 
Однако для целого ряда изделий новой техники, особенно 
специального назначения, необходимо не выбирать материалы 
из существующих разработок, а разрабатывать принципиально 
новые материалы с более высоким комплексом свойств, ранее 
недостижимым у серийных материалов. В этом случае должен 
использоваться принципиально новый методологический подход 
к определению материалов для такой техники. Этот подход объединяется в систему исследований, испытаний, разработок термином "инжиниринг материалов" (рис. 1.3). Особенностью этого 
метода является совокупность материаловедческих, технологических и производственных аспектов, практическая реализация 
которых гарантирует обеспечение требуемого уровня служебных свойств материала и его надежность.  
 
8 

 
Рис. 1.3. Схема разработки новых материалов по системе "инжиниринг материалов" 
 
Для установления сложных взаимосвязей: 
Химический состав → Технология → Структура → Свойства → 
→ Надежность 
обязательно используются лабораторные исследования с применением моделирования условий эксплуатации изделия, а оптимизация многофакторных технологий проводится с учетом производственных возможностей и особенностей потенциальных изготовителей изделия. Практическая эффективность работы по этой 
схеме реализуется благодаря учету и максимальному использованию всех факторов, что позволяет получить надежные изделия с 
гарантированным и стабильным уровнем служебных свойств при 
минимальных производственных затратах. 
Разработчик имеет две экономические альтернативы в процессе выбора материалов: материал, который имеет наименьшую 
стоимость из всех подходящих для решения данной задачи, или 
материал, чья стоимость выше, но который является более простым в производстве и обработке (и, таким образом, дешевым). 
Например, использование наклепанных стальных листов – пример, когда более дорогой материал обеспечивает пользователя 
наименее дорогим конечным продуктом. Это снижение стоимости 
следует из изменения требований к обработке материалов, а 
именно – устранения необходимости термообработки. 
Десять вопросов, задаваемых при выборе материала и приведенных ниже, могут использоваться проектировщиком, чтобы 
определить наиболее эффективный материал для конкретного 
применения. При таком анализе каждый вопрос задается по от 
9

ношению к определенным материалам и процессам. Список рассматриваемых материалов должен быть расширен, если ответ на 
хотя бы один из десяти вопросов неясен. 
1. 
 Есть ли необходимость в использовании данного материала? 
2. 
 Превосходят ли характеристики данного материала требуемые? 
3. 
 Является ли использование данного материала экономически 
выгодным? 
4. 
 Имеется ли другой материал, превосходящий данный? 
5. 
 Может ли это быть сделано менее дорогостоящим методом? 
6. 
 Может ли использоваться стандартный материал? 
7. 
 С учетом требуемого количества может ли применяться менее 
дорогостоящий способ механической обработки? 
8. 
 Требуется ли вложение большего чем обычно количества рабочей силы, средств и затрат? 
9. 
 Возможно ли снижение стоимости без влияния на качество? 
10. 
 Отказались бы Вы покупать данный материал на собственные 
деньги по причине высокой стоимости? 
Окончательное решение о выборе материала должно быть основано на всех данных, собранных в ходе процесса принятия решения. И для военных и для гражданских проектов разработчики 
должны хорошо знать требования к прочности, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и сопротивлению износу. Первичные факторы выбора материала, далее внесенные в список, 
должны учитываться в каждом случае, когда решение должно 
быть принято за или против выбора конкретного конструкционного материала. 
• Функциональные требования и ограничения. 
• Механические свойства. 
• Конструктивное решение. 
• Возможные альтернативные материалы. 
• Технологичность. 
• Коррозионная стойкость и сопротивление износу. 
• Стабильность. 
• Особые свойства. 
• Стоимость. 
1.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И СТАНДАРТЫ 
В ходе проектирования инженер, ответственный за принятие 
окончательного решения о выборе материала, должен учитывать 
соответствующие технические требования к изделиям, данные 
спецификаций и стандартов и ссылаться на них. Конструктор 
должен гарантировать соответствие изделия стандартам и должен 
 
10