Модификация конструкционных материалов для деталей и узлов приборов ориентации, стабилизации и навигации

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 
 
 
А.Р. Бахратов,  А.В. Шишлов 
 
 
 
 
МОДИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ  
И УЗЛОВ ПРИБОРОВ ОРИЕНТАЦИИ,  
СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВИГАЦИИ 
 
 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана  
2013 

Б30 
 

УДК 620.12+681.2(075.8) 
ББК 30.3+34.43 
        Б30 
 
 
Рецензенты: Ю.И. Бадин, В.Г. Ковалев  

      
Бахратов А. Р.  
       Модификация конструкционных материалов для деталей 
и узлов приборов ориентации, стабилизации и навигации : 
учеб. пособие / А. Р. Бахратов, А. В. Шишлов. — М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 43, [9] с.: ил.  

        ISBN 978-5-7038-3672-9 

Приведены сведения о процессах модификации свойств основных материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов 
приборов ориентации, стабилизации и навигации (ОСиН), а также о 
физико-химических процессах, происходящих в материалах при  
нагреве в ходе термической обработки, и о связанных с этим изменениях физико-химических характеристик материалов. В таблице 
приложения представлены данные о режимах процессов термической обработки материалов и сплавов, наиболее часто используемых 
для изготовления деталей приборов ОСиН.  
Для студентов 5-го и 6-го курсов, обучающихся по специальности «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации». Может быть полезно для самостоятельного изучения курсов 
«Технология сборки и регулировки приборов ориентации, стабилизации и навигации» и «Технология микромеханических гироскопов 
и акселерометров». 
 
                                                                                      УДК 620.12+681.2(075.8) 
                                                                                      ББК 30.3+34.43 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3672-9                                              © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В учебном пособии изложены основы процессов модификации 

материалов деталей приборов ориентации, стабилизации и навигации (ОСиН) для обеспечения специальных физико-механических 
свойств, необходимых для их надежного функционирования в со- 
ставе прибора на протяжении его жизненного цикла. 

На примере операций термической обработки (как в заготовке, 

так и в готовом виде) в пособии объясняется необходимость проведения процессов модификации материалов для цели обеспечения 
стабильности их физических свойств, а также геометрических размеров и формы высокоточных деталей приборов ОСиН. Выполнение операций термической обработки при изготовлении и после 
сборки необходимо, так как с течением времени и при изменении 
условий работы в материалах могут происходить структурные и 
фазовые изменения. Эти явления приводят к изменениям микронапряжений, ориентации и объема кристаллов, физических и геометрических параметров материала и, как следствие, стабильности этих 
величин при воздействии кратковременного или длительного 
нагружения.  

Материал учебного пособия снабжен иллюстрациями и прило
жением, сведения из которых могут быть использованы в производственной практике при изготовлении деталей для приборов ОСиН в 
целях соблюдения специальных требований. 

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изуче
ния студентами 4-, 5- и 6-го курсов учебных дисциплин «Технология приборостроения», «Технология сборки и регулировки приборов ориентации, стабилизации и навигации» и «Технология микромеханических гироскопов и акселерометров». Учебное пособие 
содержит сведения, которые могут быть использованы студентами 
при работе над курсовыми и дипломными проектами. 

Одним из авторов данного учебного пособия является канди
дат технических наук, доцент кафедры ИУ-2 Бахратов Ануфрий 
Рафаилович. Это одно из его последних пособий, подготовленное, 
но не изданное при жизни автора. В память об этом прекрасном 
человеке, талантливом инженере, высококвалифицированном преподавателе коллектив кафедры ИУ-2 представляет учебное пособие к публикации. 

ВВЕДЕНИЕ 

Для изготовления деталей приборов ОСиН используют разнообразные материалы. Выбор конкретной марки материала деталей 
обычно определяется служебным назначением и условиями работы 
детали при эксплуатации прибора с учетом технологического цикла 
обработки и его влияния на характеристики материала, при этом 
считается, что недостающие параметры свойств материалов будут 
синтезированы в технологическом цикле изготовления детали. 
В производстве приборов ОСиН в качестве конструкционных 
материалов наиболее часто используют:  
1) стали: 
а) перлитные, которые после охлаждения в условиях спокойной воздушной среды не претерпевают мартенситного 
превращения (углеродистые, с малым содержанием легирующих элементов — Ст 35; 40Х; 30ХГСА; ШХ15 и др.); 
б) мартенситные, закаливающиеся на спокойном воздухе 
(среднелегированные хромоникеливые — 20Х13; 40Х13 и др.); 
в) аустенитные (высоколегированные хромоникеливые — 
12Х18Н9Т; 12Х18Н10Т и др.); 
г) аустенитно-мартенситные двухфазные с пониженным содержанием никеля и повышенным хрома — типа 09Х15Н8Ю; 
д) аустнитно-ферритные с повышенным содержанием хрома 
и пониженным содержанием никеля — типа 08Х22Н6Т; 
2) прецизионные сплавы: 
а) дисперсионно-твердеющие, упрочняемые после закалки 
с отпуском при Т = 400…700 оС — 36НХТЮ; 40ХНЮ; 
44НХТ и др.; 
б) инварные сплавы — 32НК; 36Н; 58Н и др.; 
3) титановые сплавы — ВТ1-0; ВТ-6 и др.; 
4) алюминиевые сплавы — Д1; Д16; В95; АМг6 и др.; 
5) медные сплавы: латуни — ЛС59-1; ЛС63 и бронзы — 
БрАЖ9-4; БрОФ6 и др.; 
6) бериллий и его сплавы. 

Жесткие условия эксплуатации требуют применять для изготовления ответственных деталей приборов ОСиН материалы с высокой удельной прочностью. Для обеспечения надежности конструкции необходимо повышение выносливости деталей конструкции посредством уменьшения уровня остаточных напряжений. 
Упрочнение и восстановление физических и механических свойств 
сборных, в том числе сварных и механически обработанных деталей, должно осуществляться, когда они практически готовы и не 
имеют припусков на последующую обработку, т. е. поверхностный 
слой деталей должен оставаться при выполнении этих операций 
неизменным. 
Способность конструкции сохранять форму, размеры и качество во времени зависит от свойств материалов, конструкционных 
особенностей деталей и узлов и характера внешних воздействий. 
Размерная стабильность материала определяется устойчивостью его 
микроструктуры, способностью сопротивляться микропластическим деформациям. 
В производстве используют различные технологические процессы (ТП) и способы формообразования заготовок. Материалы при 
обработке подвергают разнообразным воздействиям на каждом из 
этапов ТП. В результате этих технологических воздействий могут 
изменяться химический состав, структура, зернистость материала, а 
следовательно, и его физические и химические свойства, состояние 
поверхностного слоя. 
Для ТП изготовления детали из заготовки большое значение 
имеют технологические свойства материала заготовки: структура, 
твердость, прочность и др. 
В отливках может изменяться содержание кремния, что приводит к изменению пластичности и вязкости сталей. Фосфор снижает 
пластичность. Сера — наиболее вредная примесь, существенно 
ухудшающая механические и физические свойства материала. Получению мелкозернистой структуры, повышению механических 
свойств материала способствуют никель, хром, молибден, ванадий; 
кроме того, свойства отливки во многом зависят от ее формы. 
Заготовки из пластически деформированного металла (прокат, 
поковки и др.) также имеют измененные физико-механические 
свойства, поскольку их структура имеет зерна, деформированные 

при обработке. Кроме того, вследствие неоднородности деформаций в объеме появляются остаточные напряжения, а нарушение 
теплового режима в процессе деформации приводит к образованию 
трещин, крупнозернистой дефектной структуры. Холодная деформация заготовок, полученных прокаткой и другими методами, также может приводить к появлению остаточных напряжений, искажению кристаллической структуры, в результате чего материалы приобретают наклеп. 
При механической обработке резанием (токарной, фрезерной и 
др.) в поверхностном слое материала деталей вследствие пластической деформации металла возникают напряжения. Металл в этом 
слое становится упрочненным. С течением времени и при изменении температуры в материалах происходят структурные превращения, которые приводят к изменению свойств и геометрических параметров деталей. 
Требуемые механические, физические и химические свойства 
материалов обеспечиваются в процессе изготовления детали путем 
изменения разнообразных свойств материалов: структуры, зернистости, остаточных напряжений, параметров качества и микрогеометрии поверхности и поверхностного слоя. 
Придание материалам заданных свойств может приводить к образованию термодинамически нестабильных структурных состояний, которые с течением времени изменяются при самопроизвольном движении структуры к более стабильному состоянию, при этом 
могут изменяться форма и размеры деталей (изделий). 
К источникам изменения свойств материала в ТП можно отнести: 
• неправильный выбор материала заготовки, последовательности и предварительной обработки заготовки ее режимов, что может 
привести к нежелательным структурным изменениям материала и 
появлению остаточных напряжений в нем; 
• несоответствие режимов обработки заготовки в ТП, это не 
позволяет получить необходимую структуру и твердость материала 
в поверхностном слое и в объеме заготовки; 
• неправильный выбор режимов финишной обработки, что может привести к закалке или отпуску поверхностного слоя материала 
заготовки, а также к снижению твердости, перенаклепу и шелушению поверхностного слоя заготовки; 

• наличие остаточных напряжений в материале, которые могут 
вызвать коробление детали после сборки узла прибора и привести к 
искажению взаимосвязей между деталями в приборе. 
Большое количество разнообразных факторов, сопровождающих формирование свойств материала детали, требует не только 
предвидения последствий того или иного конструкторско-технологического решения, но и правильного выбора материала. 
Обеспечение необходимых свойств материала должно быть заложено в ТП на стадии проектирования.  
Из некачественной заготовки нельзя получить качественную 
деталь. Ответственность за качество заготовок лежит на технологах 
и исполнителях ТП. 
Силовое и тепловое воздействия на заготовку приводят к структурным изменениям в материале, наклепу, остаточным напряжениям в поверхностном слое. Степень изменения свойств материала 
заготовки зависит от способа и режимов ее обработки. Поэтому выбор способа и режимов следует связывать с одним из механических 
показателей материала, полагая, что свойства материала по другим 
показателям будут обеспечены в ходе дальнейшей обработки заготовки при формообразовании детали. 
В результате неравномерного остывания отливок, неравномерной деформации проката и поковок в материале заготовок появляются внутренние напряжения, которые находятся в равновесном 
состоянии до момента нарушения этого равновесия, например, в 
результате съема материала при черновой  технологической обработке. Поэтому после черновой обработки заготовку следует подвергнуть естественному или искусственному старению, чтобы 
уменьшить ее последующее деформирование. Продолжительность 
естественного старения составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. 
Для сокращения цикла производства естественное старение заменяют искусственным. В зависимости от марки материала, конструкции, размеров и массы заготовки старение ведут при разных 
режимах, постепенно нагревая заготовки до 560 оС, выдерживают 
при этой температуре несколько часов, после чего охлаждают с печью со скоростью не более 20 оС/ч. 
Для уменьшения недостатков структуры материала и улучшения технологических свойств материал подвергают термической 

обработке: отжигу и нормализации. В результате термической обработки улучшаются механические и технологические свойства материала заготовок. 
При выборе параметров термической обработки металлов и 
сплавов необходимо учитывать их возможное взаимодействие с газами из окружающей среды при нагреве в печи, выдержке и охлаждении. Состав газовой среды зависит прежде всего от способов 
нагрева и применяемого оборудования. Например, в пламенных печах состав газовой среды состоит из угарного газа СО, углекислого 
газа СО2 и паров воды H2О — c повышением температуры количество углекислого газа уменьшается, а количество паров воды увеличивается. В электропечах в состав газовой среды входят: кислород 
O2 — 23 %; азот N2 — 75,6 %; аргон Ar — 1,286 %; углекислый газ 
CO2 — 0,03 %; гелий He — 0,002 %; пары воды H2O — 0,2…4 %.   
Следует обратить внимание на то, что накопление внутренних 
напряжений в деталях из материалов с низкой теплопроводностью в 
начальный момент термической обработки при большой скорости 
нагрева совместно с напряжениями, появляющимися в результате 
фазовых преобразований в металле, может приводить к образованию микротрещин, если материал малопластичен, т. е. имеет отжигную хрупкость и высокую твердость. С помощью шлифования 
поверхностей таких материалов получают упрочненный поверхностный слой, фазовые превращения в этом слое при нагреве также 
вызывают появление внутренних напряжений, а при пескоструйной 
обработке изменяется знак напряжений и их величина, поэтому этот 
вид обработки, как и замедленный нагрев под закалку, может способствовать устранению возможных микротрещин. 
Охлаждающее действие смазывающе-охлаждающей жидкости 
(СОЖ) при обработке металлов и сплавов с интенсивными режимами действует на нагретый поверхностный слой подобно процессу 
закалки, если нагрев слоя выше критической точки А3 (рис. В1), или 
подобно процессу отпуска, если нагрев ниже точки А1 конкретного 
материала. При этом будет изменяться структура поверхностного 
слоя заготовки, сформируются остаточные напряжения в поверхностном слое, уровень напряжений будет зависеть от теплового 
фактора, сопутствующего процессу обработки. 
В процессе последующей обработки резанием при температуре 
нагрева поверхности материала ниже температуры критической точ

ки А1 создаются условия для различной степени отпуска материала. 
Если температура нагрева выше температуры критической точки А3, 
возможна закалка поверхностного слоя, т. е. структурные изменения 
материала поверхностного слоя под воздействием теплоты могут 
быть различными при разных способах обработки. 
 

Рис. В1. Диаграмма состояния сплавов железо — углерод: 
А1, А2, А3, А4 — критические точки 
 
Углеродистые стали общего назначения (Ст1…Ст6, ГОСТ 
380—71) применяют для изготовления деталей без термической обработки, а также для изготовления деталей в улучшенном состоянии после закалки и высокого отпуска или после поверхностного 
упрочнения цементацией или цианированием. 
Стали конструкционные (Ст35; 45; 60 и т. д., ГОСТ 1050—74) 
по способу обработки на предприятии-изготовителе могут быть горячекатаными, коваными и т. п. и поставляться без термической 
обработки, после термической обработки или нагартованными. Эти 
стали используют для изготовления деталей после нормализации, 
улучшения, закалки с низким отпуском.  
Легированные конструкционные стали (49Х; 38ХМ10А и др., 
ГОСТ 4543—71) поставляют в виде проката без термической обра

ботки и после термической обработки. Применяют их для изготовления ответственных деталей приборов в термически обработанном 
виде. Коррозионно-стойкие сплавы, легированные хромом и никелем (12Х18Н9; 12Х18Н10Т ГОСТ 15632—72 и др.), термически не 
упрочняются. 

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ  
В ПРОЦЕССАХ МОДИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ 
И ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ ОСиН 

Термическая обработка — процесс тепловой обработки деталей нагревом до заданной температуры и охлаждением с различными скоростями для достижения необходимых физико-механических 
и физико-химических свойств материала детали (изделия). 
Основными задачами термической обработки являются обеспечение заданных физико-механических свойств материала деталей и 
узлов приборов ОСиН, сохранение его геометрических и физических параметров с высокой точностью. 
Термическую обработку подразделяют на предварительную, основную и упрочняющую. 
Термическая обработка заготовок необходима как операция, 
обеспечивающая стабильность размеров и формы детали (изделия) 
в условиях длительной эксплуатации. К процессам термической 
обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение и обработка холодом, термоциклическая обработка. 
Предварительную термическую обработку проводят для отжига 
заготовок, получивших неудовлетворительную структуру в результате ковки, прокатки, сварки. Твердость заготовок после предварительной термической обработки (отжига) не должна быть выше 
твердости материала в состоянии поставок. 
Время нагрева для термической обработки рассчитывают в зависимости от толщины заготовки (углеродистая сталь — 1 мм/мин, 
легированная сталь — 1,5 мм/мин, высокохромистая — 2 мм/мин). 
Самопроизвольное изменение размеров и формы деталей является следствием нестабильности фазового и структурного состояния 
материала и релаксации остаточных внутренних напряжений, воз