Специальные материалы в машиностроении

Доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники России, профессор Юрий Порфирьевич Солнцев с 
1956 по 1974 г. работал на заводе «Большевик» (Обуховский 
завод) зам. главного металлурга, начальником лаборатории. 
В 1962 г. защитил кандидатскую, а в 1972 г. – докторскую диссертацию. С 1974 г. заведующий кафедрой технологии металлов и металловедения Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. 
Автор свыше 200 печатных работ и 50 изобретений. Ряд 
работ, в том числе 5 книг, переведены и изданы в США, 
Индии, Франции, Японии, Польше, Китае. 
Ю. П. Солнцев является автором 6 монографий и 5 учебников для вузов: «Материаловедение и технология конструкционных материалов» (1988 и 1996 гг.), «Материаловедение» (1999 и 2000 гг.), «Материаловедение в пище- 
вом машиностроении» (2003 г.). 
Является руководителем научной школы в области разработки хладостойких сталей и 
сталей для криогенной техники, методов оценки склонности к хрупким разрушениям 
конструкционных материалов, работающих при низких температурах. Действительный член Международной академии холода (1994 г.). 

Доктор технических наук, профессор Евгений Иванович Пряхин после окончания Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина с 1970 по 1987 г. 
работал в Центральном научно-исследовательском институте материалов (Ленинград), где возглавлял научное 
направление по разработке и внедрению высокопрочных 
экономнолегированных сталей. В 1975 г. защитил кандидатскую, в 1986 г. – докторскую диссертацию. С 1987 г. и по 
настоящее время Е. И. Пряхин возглавляет кафедру материаловедения и технологии художественных изделий Северо-Западного государственного заочного технического университета (Санкт-Петербург). 
Профессор Е. И. Пряхин является автором и соавтором более 
170 научных работ, в том числе 33 изобретений, 
4 монографий, 1 учебника, 1 справочника. 

Пирайнен Виктор Юрьевич – кандидат технических наук, 
доцент кафедры материаловедения и технологии художественных изделий Северо-Западного государственного заочного технического университета, член-корреспондент Инженерной академии СПб. С 1977 по 1992 год работал в 
Центральном научно-исследовательском институте материалов, где занимался разработкой и внедрением литого 
инструмента из специальных сталей и сплавов. 
В. Ю. Пирайнен – автор свыше 90 печатных работ, в том 
числе трех учебников и 46 изобретений.  
Является действительным членом Международной колокольной ассоциации, инициатором и руководителем ряда 
научно-исследовательских работ в области освоения новых 
технологических процессов изготовления художественных 
изделий. 

Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин, В. Ю. Пирайнен 

qoe0h`k|m{e 
l ` Š e p h ` k { 
" 
l`xhmnqŠpnemhh 

Под редакцией 
заслуженного деятеля науки и техники РФ, 
проф., д-ра техн. наук Ю. П. Солнцева 

Рекомендовано Учеными советами 
Санкт-Петербургского государственного университета 
низкотемпературных и пищевых технологий 
и Северо-Западного государственного заочного 
технического университета (Санкт-Петербург) 
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по машиностроительным и общетехническим 
специальностям 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
ХИМИЗДАТ

2024 

УДК 620.22

С 601

Р е ц е н з е н т ы :

1. Заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф.
А. М. Паршин;

2. Кафедра "Материаловедение и технология материалов" Санкт-Петербургского государственного Морского технического университета

Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И., Пирайнен В. Ю. 

С 601 
 Специальные материалы в машиностроении: Учебник для 

вузов. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024, изд. 4-е, стереот.. − 640 с.: ил. 

ISBN 978-5-93808-477-3 

Изложены основные закономерности структуры и свойств материалов, применяемых в ряде специальных отраслей машиностроения. Рассмотрены марки 
и области применения высокопрочных конструкционных сталей, хладостойких 
сталей и сталей криогенной техники, композиционных и порошковых материалов, судостроительных корпусных сталей и сталей для ледовых платформ, керамических и износостойких материалов, материалов для пищевой промышленности. Приведены методы оценки конструкционной прочности металлов и пути ее повышения. Рассмотрены свойства и области применения материалов 
специального назначения: магнитных и электротехнических, сверхпроводящих, с 
особыми тепловыми и упругими свойствами, металлов с памятью формы, радиационно-стойких и аморфных материалов. Изложена методология и принципы выбора материалов для конкретных изделий и с учетом рабочих условий их 
применения. 
Рекомендован в качестве учебника для студентов и аспирантов машиностроительных и общетехнических вузов. Может быть полезен студентам, обучающимся по смежным специальностям, а также преподавателям, инженернотехническим работникам заводов, научно-исследовательских и проектных организаций. 

С 2703000000–003 
050(01)–24 
Без объявл. 

 Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И.,

Пирайнен В. Ю., 2004

ISBN 978-5-93808-477-3
 ХИМИЗДАТ, 2004, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение
10

Г л а в а  1. РАЗРУШЕНИЕ И КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ  
МАТЕРИАЛОВ 
15

1.1. Упругая и пластическая деформация
16

1.2. Хрупкое и вязкое разрушение 
18

1.3. Факторы, определяющие характер разрушения
24

1.4. Испытания механических свойств материалов
27

1.5. Особенности испытаний механических свойств при низких  

температурах

28

1.6. Испытания долговечности материалов
35

1.6.1. Усталостные испытания
35

1.6.2. Испытания на ползучесть
39

1.6.3. Трибологические испытания
42

1.7. Оценка конструкционной прочности методами механики разрушения.  

Примеры

45

1.7.1. Трещиностойкость (cracking resistance) металлов и коэффициент  

интенсивности напряжений

45

1.7.2. Испытания на вязкость разрушения
52

1.7.3. Примеры практического использования параметров вязкости разрушения
56

1.8. Специальные методы испытаний
59

Г л а в а  2. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНОГО  
СОСТОЯНИЯ 
64

2.1. Современная концепция высокопрочного состояния
64

2.2. Механизмы упрочнения и процессы упрочнения
66

2.2.1. Напряжение трения решетки
67

2.2.2. Твердорастворное упрочнение
68

2.2.3. Дислокационное упрочнение
70

2.2.4. Упрочнение выделениями дисперсных частиц (дисперсионное твердение)
71

2.2.5. Зернограничное упрочнение
73

2.2.6. Влияние фазовых превращений на упрочнение
75

Г л а в а  3. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ  
ПРОЧНОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ 
77

3.1. Технология производства чистой стали
76

3.1.1. Способы массового производства
76

3.1.2. Электрорафинирующие переплавы
81

3.1.3. Управление природой неметаллических включений
82

3.1.4. Снижение содержания углерода и других элементов
85

3.2. Формирование структуры дисперсными выделениями
87

3.3. Комбинированное термомеханическое воздействие
91

3.4. Регулирование размеров зерна термоциклированием
94

3.5. Перспективы космического материаловедения
95

3.6. Стали с покрытиями и биметаллы
99

3.6.1. Нанесение металлических покрытий погружением в расплав
99

3.6.2. Гальванические покрытия
102

3.6.3. Осаждение покрытий из газовой фазы в вакууме
104

3.6.4. Напыление покрытий
107

3.6.5. Плакирование
109

3.6.6. Плоский прокат с неорганическими покрытиями
120

3.7. Двухфазные стали с высокой деформационной способностью
123

Г л а в а  4. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
128

4.1. Особенности требований к конструкционным высокопрочным сталям
128

4.2. Легированные низкоотпущенные стали
130

4.3. Дисперсионно-твердеющие стали
132

4.4. Мартенситно-стареющие стали
136

4.5. ПНП-стали
139

4.6. Стали со сверхмелким зерном
142

Г л а в а  5. СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ 
145

5.1. Условия работы судостроительных сталей и сталей для буровых платформ
145

5.2. Марки и сортамент
146

5.3. Основные технические требования к судостроительным сталям
148

5.4. Состав и свойства сталей для судостроения
154

5.5. Хладостойкие морские буровые платформы и трубы для магистральных 

трубопроводов морского шельфа

163

5.5.1. Основные требования к материалам
163

5.5.2. Оценка сопротивления трубопроводов хрупкому разрушению
164

5.5.3. Влияние длительности эксплуатации на остаточный ресурс прочности 

трубопроводов

165

5.5.4. Технология производства газо- и нефтепроводов
167

5.5.5. Характеристика необходимых свойств
169

5.5.6. Металловедческие приемы получения требуемых свойств сталей
170

5.5.7. Методика контроля повреждений магистральных  

и промысловых газопроводов

175

5.6. Материалы для судовых валов и баллеров рулей
178

Г л а в а  6. ЛИТЕЙНЫЕ ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ  
С МАРТЕНСИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 
180

6.1. Структурные особенности литейных высокопрочных сталей  

с мартенситной структурой

180

6.1.1. Соотношение уровней характеристик механических свойств литейных 

и деформируемых сталей

180

6.1.2. Зернограничная наследственность в литейных высокопрочных сталях
183

6.1.3. Совместное влияние физико-химических и структурных характеристик 

сталей на их упрочнение и охрупчивание

187

6.2. Система легирования высокопрочных литейных мартенситных сталей
194

6.3. Высокопрочные экономнолегированные литейные стали с высоким 

сопротивлением хрупкому разрушению

202

Г л а в а  7. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
209

7.1. Технологические процессы порошковой металлургии
209

7.2. Конструкционные материалы
217

7.3. Антифрикционные материалы
221

7.4. Фрикционные материалы
224

7.5. Пористые фильтрующие элементы
225

7.6. Инструментальные стали
227

7.7. Карбидостали
229

Г л а в а  8. ХЛАДОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
231

8.1. Введение
231

8.2. Хладостойкие стали климатического холода
234

8.2.1. Состав и марки сталей
234

8.2.2. Влияние технологии производства на хладостойкость сталей  

климатического холода

241

8.2.3. Особенности разрушения литых хладостойких сталей
247

8.3. Стали криогенной техники
249

8.3.1. Никелевые низкоуглеродистые стали
250

8.3.2. Аустенитные стали
251

8.3.3. Метастабильные аустенитные стали
261

8.3.4. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали
263

8.3.5. Литейные стали
265

8.3.6. Железоникелевые сплавы
267

8.4. Сплавы цветных металлов для криогенной техники
268

8.4.1. Алюминий и его сплавы
268

8.4.2. Титан и его сплавы
270

8.4.3. Медь и ее сплавы
271

8.5. Основы выбора конструкционных материалов для работы при низких 

температурах

273

8.6. Хладостойкие неметаллические материалы
279

8.6.1. Общие сведения
279

8.6.2. Пластмассы
281

8.6.3. Клеящие материалы
286

Г л а в а  9. КОРРОЗИЯ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
292

9.1. Общие сведения
292

9.2. Виды электрохимической коррозии
294

9.2.1. Оценка коррозионной стойкости
300

9.3. Методы защиты от коррозии
303

9.4. Коррозионностойкие стали
306

9.4.1. Требования к механическим и технологическим свойствам
306

9.4.2. Влияние легирующих элементов на коррозионную  

стойкость

311

9.5. Хромистые стали мартенситного, мартенситно-ферритного  

и ферритного классов

313

9.6. Аустенитные, аустенитно-ферритные и аустенитно-мартенситные стали
316

Г л а в а  10. РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
321

10.1. Основные компоненты современного ядерного реактора
321

10.2. Радиационная повреждаемость конструкционных материалов
323

10.3. Состав и свойства реакторных материалов
329

Г л а в а  11. ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
337

11.1. Классификация и виды износа
337

11.2. Закономерности изнашивания сопряженных деталей, образующих 

пары трения

340

11.3. Износостойкие стали
344

11.4. Металлические износостойкие покрытия
352

11.5. Металлокерамические твердые сплавы
359

11.6. Штамповые стали
367

11.7. Антифрикционные материалы
371

Г л а в а  12. ЖАРОСТОЙКИЕ И ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ 
379

12.1. Жаростойкие стали (heat resistant steel)
379

12.2. Критерии жаропрочности материалов
384

12.3. Влияние структуры на жаропрочность сплавов
387

12.4. Жаропрочность сплавов цветных металлов и сталей
388

12.5. Стали для котлостроения и трубопроводов пара и горячей воды
392

12.6. Суперсплавы
396

12.6.1. Требования к материалам газовых турбин
397

12.6.2. Никелевые и кобальтовые суперсплавы
399

12.6.3. Металлургическая технология жаропрочных суперсплавов
407

12.6.4. Перспективы применения жаропрочных суперсплавов
409

12.7. Тугоплавкие металлы
410

Г л а в а  13. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ  
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ 
419

13.1. Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы
419

13.1.1. Сверхпроводимость
419

13.1.2. Сверхпроводящие материалы и технология их производства
421

13.1.3. Перспективы использования сверхпроводящих материалов
426

13.2. Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами
430

13.2.1. Общие сведения
430

13.2.2. Сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом  

линейного расширения

433

13.2.3. Сплавы с постоянным модулем упругости
435

13.3. Металлы с памятью формы
437

13.3.1. Механизм эффекта памяти формы
437

13.3.2. Технология производства и свойства сплавов с эффектом памяти формы
440

13.3.3. Применение сплавов с эффектом памяти формы
443

13.4. Магнитные и электротехнические стали и сплавы
451

13.4.1. Магнитотвердые материалы
452

13.4.2. Магнитомягкие материалы
455

13.4.3. Электротехнические стали
459

13.4.4. Электротехнические сплавы
464

13.5. Аморфные и нанокристалические сплавы
465

13.5.1. Условия образования аморфной структуры
465

13.5.2. Методы получения аморфных металлов
467

13.5.3. Свойства и применение аморфных сплавов
470

13.5.4. Нанокристаллические сплавы
476

Г л а в а  14. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ 
479

14.1. Титан и его сплавы
479

14.1.1. Основные свойства титана
479

14.1.2. Классификация титановых сплавов
482

14.1.3. Деформируемые титановые сплавы
483

14.1.4. Литейные титановые сплавы
491

14.1.5. Применение титана и его сплавов
493

14.2. Алюминий и его сплавы
498

14.2.1. Основные свойства алюминия
498

14.2.2. Классификация алюминиевых сплавов
500

14.2.3. Деформируемые алюминиевые сплавы
502

14.2.4. Литейные алюминиевые сплавы
513

14.3. Магний и его сплавы
515

14.3.1. Основные свойства магния
515

14.3.2. Классификация магниевых сплавов
517

14.3.3. Деформируемые магниевые сплавы
519

14.3.4. Литейные магниевые сплавы
522

14.3.5. Применение магниевых сплавов
523

14.4. Бериллий и бериллиевые сплавы
524

14.4.1. Основные свойства и технологии получения бериллия
524

14.4.2. Сплавы бериллия
527

14.4.3. Применение бериллия и его сплавов
531

Г л а в а  15. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
535

15.1. Общая характеристика и классификация
535

15.2. Дисперсноупрочненные композиционные материалы
538

15.3. Матрицы и армирующие волокна
541

15.4. Волокнистые композиционные материалы
547

15.5. Слоистые композиты
559

Г л а в а  16. КЕРАМИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ 
563

16.1. Керамическая технология и классификация керамики
563

16.2. Свойства и применение керамических материалов
568

Г л а в а  17. СТАЛИ И СПЛАВЫ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
577

17.1. Условия работы оборудования для пищевой промышленности
577

17.2. Требования к материалам для оборудования пищевых производств
584

17.2.1. Химические свойства материалов
584

17.2.2. Санитарно-гигиенические требования
586

Г л а в а  18. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И ПРИМЕНЕНИЯ  
МАТЕРИАЛОВ 
596

18.1. Общие принципы выбора материалов
596

18.1.1. Технические условия и стандарты
601

18.1.2. Долговечность конструкций и виды отказов
603

18.1.3. Технологические свойства
612

18.2. Свойства и применение конструкционных материалов
616

18.2.1. Сплавы на основе железа
616

18.2.2. Алюминий, магний и цинк
620

18.2.3. Титан
623

18.2.4. Тугоплавкие металлы
624

18.2.5. Суперсплавы
625

18.2.6. Бериллий и медь
627

18.2.7. Керамические материалы
627

18.2.8. Композиционные материалы
630

18.3. Примеры выбора материалов
631

18.3.1. Литейная сталь для сварнолитой рамы крупногабаритных тракторов
631

18.3.2. Литейная сталь для катков мощных экскаваторов
632

Используемая литература
637

 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Реализация технических способностей человека началась с металлов, 
которые по своему положению в электрохимическом ряду напряжений 
могут классифицироваться как благородные. Древнейшими металлами во 
временной последовательности являются золото и серебро, за ними следует медь. Благодаря добавлению относительно благородного, легко получаемого олова к меди появилась ранняя техника плавления, с помощью 
которой удалось получить бронзу, имеющую более низкую температуру 
плавления, чем чистая медь. Это значительно облегчило обработку данного сплава по сравнению с чистой медью, прежде всего с помощью литья и ковки. 
Положение металлов в электрохимическом ряду напряжений, пожалуй, оказало бóльшее влияние на развитие человечества, чем многие 
другие факторы. Целые исторические эпохи характеризуются применявшимися материалами – камнем, бронзой, железом. Железо и в дальнейшем цинк требовали более высокоразвитых металлургических способов и 
появились позднее; наконец, были освоены алюминий и магний; произошло это лишь в XIX столетии. 
Ниже приведено соотношение между электрохимическим рядом напряжений и началом применения некоторых металлов. 

 
Au3+ 
Ag+ 
Cu2+ 
Sn2+ 
Fe2+ 
Zn2+ 
Al3+ 
Mg2+ 

Электродный 
потенциал

+1,50 
+0,80 
+0,34 
–0,14 
–0,44 
–0,76 
–1,62 
–2,34 

Год начала 
применения

≈ 4000
до н.э.

≈ 4000
до н.э.

≈ 4000
до н.э.

≈ 2000
до н.э.

≈ 1000
до н.э.

≈ 1500

н.э.

1850 
н.э.

1850 
н.э.

Одновременно в ранние исторические эпохи были развиты технические приемы по регулированию свойств материала, причем на передний 
план выдвигалось стремление к увеличению прочности. Отметим следующие вехи и в истории обработки материалов:  

Упрочнение посредством деформации  
в холодном состоянии 

≈ 4000 г. до н.э 

Закаливание стали 
≈ 1000 г. до н.э.

Дисперсионное твердение (старение) алюминия 
1905 г. н.э.

Коррозионностойкая сталь 
1930 г. н.э.

Суперсплавы  
1950 г. н.э. 

Обработка материалов в давние времена была исключительно результатом чистого опыта и часто проходила под знаком мистики (интуиции) 
по строго охраняемым рецептам. Так, "термообработка" мечей в органических веществах, например, в навозе или в навозной жиже, создавала