Выбор и применение материалов

ISBN 978-985-08-2389-2 (т. 2)
ISBN 978-985-08-2204-8

© Оформление. РУП «Издательский  
    дом «Беларуская навука», 2019

В92

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
       В92

Издание выходит с 2017 года

А в т о р ы:
Н. А. Свидунович, П. А. Витязь, И. В. Войтов, Д. В. Куис, М. Н. Мюрек

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Технология металлов» Государственного учреждения высшего 
профессионального образования «Белорусско-Российский университет» 
(доктор технических наук, профессор Ф. Г. Ловшенко);
заслуженный деятель науки Республики Беларусь, академик НАН Беларуси, 
доктор технических наук, профессор В. В. Клубович

Выбор и применение материалов : учебное пособие.  
В 5 т. Т. 2. Выбор и применение конструкционных сталей / 
Н. А. Свидунович [и др.] ; под ред. Н. А. Свидуновича. – 
Минск : Беларуская навука, 2019. – 625 с. : ил.
ISBN 978-985-08-2389-2.

В учебном пособии описаны процессы получения конструкционных сталей. Приведены технологические способы управления качеством изготовления деталей машин и оборудования: обработка металлов давлением, сварка, а также процессы термической, химико-термической и механической обработки деталей. Рассмотрена взаимосвязь 
состав – структура – свойства основных марок сталей и их конкретное 
применение, что является базой рационального выбора материалов и режимов их упрочнения для типовых деталей машин. 
Адресуется студентам и аспирантам технических университетов, 

а также инженерам и техникам машиностроительных, металлургических и других отраслей промышленности.
УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие .................................................................................................
6

Введение ........................................................................................................
9

Управление качеством промышленной продукции и материалов 
технического назначения .............................................................
9

Общая характеристика материалов ....................................................
24

Наноматериалы .....................................................................................
39

Глава 1. Основы металлургии стали ......................................................
44

1.1. Значение железа в истории человечества ....................................
44

1.2. Классификация современных конструкционных материалов 
51

1.3. Металлургия прошлых лет ...........................................................
59

1.4. Современная черная металлургия ...............................................
67

1.5. Краткая характеристика физико-химических процессов при 
выплавке стали ..............................................................................
105

Глава 2. Основные процессы изготовления деталей машин и заготовок из конструкционной стали ........................................................
130

2.1. Машиностроение – главная отрасль промышленности Респуб
лики Беларусь ................................................................................
130

2.2. Обработка металлов давлением ...................................................
133

2.2.1. Общая характеристика процессов .....................................
133

2.2.2. Прокатка ...............................................................................
148

2.2.3. Ковка .....................................................................................
158

2.2.4. Объемная штамповка ..........................................................
166

2.2.5. Листовая штамповка ...........................................................
174

2.2.6. Перспективы развития кузнечно-штамповочного производства .....................................................................................
177

2.3. Сварочное производство ...............................................................
188

2.3.1. Общая характеристика процессов .....................................
188

2.3.2. Электродуговая сварка .......................................................
198

2.3.3. Сварка плавлением ..............................................................
203

3

2.3.4. Сварка давлением ................................................................
207

2.3.5. Производство сварных и комбинированных заготовок 
213

2.4. Механическая обработка ..............................................................
217

2.4.1. Общая характеристика процессов .....................................
217

2.4.2. Обработка на токарных станках .......................................
224

2.4.3. Обработка на фрезерных станках .....................................
235

2.4.4. Обработка на сверлильных и расточных станках ..........
241

2.4.5. Обработка на строгальных, долбежных и протяжных 
станках ....................................................................................
247

2.4.6. Обработка на шлифовальных станках .............................
253

2.4.7. Отделочные методы обработки .........................................
257

2.4.8. Технологические процессы механической обработки ...
261

2.4.9. Обработка заготовок поверхностным пластическим деформированием ......................................................................
266

2.4.10. Электро-физико-химические методы обработки ..........
273

Глава 3. Термическая и химико-термическая обработка стали .......
285

3.1. Диаграмма железо – цементит .....................................................
285

3.2. Классификация видов термической обработки стали ..............
307

3.3. Отжиг сталей первого рода ..........................................................
309

3.4. Отжиг сталей второго рода ..........................................................
321

3.5. Закалка сталей ................................................................................
342

3.6. Отпуск сталей .................................................................................
356

3.7. Термомеханическая обработка сталей ........................................
371

3.8. Химико-термическая обработка сталей .....................................
383

Глава 4. Выбор и применение конструкционных сталей и мате
риалов ....................................................................................................
392

4.1. Краткая характеристика показателей прочности сталей ..........
392

4.2. Общая классификация конструкционных сталей .....................
408

4.3. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей 
411

4.4. Углеродистые стали .......................................................................
416

4.4.1. Стали обыкновенного качества .........................................
416

4.4.2. Углеродистые качественные стали ...................................
420

4.5. Легированные строительные стали .............................................
424

4.5.1. Низколегированные строительные стали ........................
424

4.5.2. Строительные стали повышенной прочности .................
426

4.5.3. Высокопрочные строительные стали ...............................
428

4.6. Легированные машиностроительные стали ..............................
431

4.6.1. Легированные конструкционные стали нормальной и по 
вышенной прочности ............................................................
436

4.6.2. Легированные конструкционные высокопрочные стали 
442

4.6.3. Легированные конструкционные стали с повышенной 
циклической прочностью .....................................................
451

4

4.7. Стали с улучшаемой обрабатываемостью резанием .................
462

4.8. Стали с высокой технологической пластичностью и свариваемостью ............................................................................................
465

4.9. Пружинные стали ..........................................................................
472

4.10. Подшипниковые стали ................................................................
485

4.11. Износостойкие материалы ..........................................................
493

Глава 5. Проблемы и примеры применения конструкционных сталей и материалов .................................................................................
517

5.1. Проблемы выбора материалов ......................................................
517

5.2. Технические условия и стандарты ..............................................
524

5.3. Долговечность конструкций и виды отказов .............................
526

5.4. Влияние технологических свойств ..............................................
537

5.5. Критерии выбора марки стали .....................................................
543

5.6. Выбор режима термической обработки ......................................
554

5.7. Пример выполнения контрольной работы по курсу «Материаловедение» ......................................................................................
557

5.7.1. Выбор марки стали ..............................................................
559

5.7.2. Характеристики стали 40ХН .............................................
561

5.7.3. Выбор и обоснование режимов термической обработки 
563

5.8. Курсовая работа по курсу «Материаловедение и ТКМ» ..........
565

5.8.1. Задачи и исходные данные курсового проекта ................
565

5.8.2. Разработка технологического маршрута изготовления 
детали ......................................................................................
574

5.8.3. Разработка технологического процесса термической обработки стали .........................................................................
574

5.8.4. Выбор технологического оборудования ..........................
583

Список использованных источников ....................................................
590

Приложение 1. Система маркировки сталей в различных странах ......
593

Приложение 2. Сортовой, фасонный и листовой прокат – государственные стандарты и технические условия ....................................
612

Приложение 3. Упрочнение металлических изделий – государственные стандарты .......................................................................................
613

Приложение 4. Конструкционные материалы, применяемые для изготовления средств крепления ...............................................................
613

Приложение 5. Типовые режимы термической обработки для различных сталей .............................................................................................
621

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебных планах подготовки выпускников высших образо
вательных учреждений технического профиля дисциплины «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» 
(ТКМ) относятся к числу основополагающих. Это объясняется 
прежде всего тем, что получение и разработка новых материалов, технологии обработки заготовок являются основой современного производства и во многом определяют научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование 
рациональных конкурентоспособных изделий, организация их 
производства невозможны без должного технологического обеспечения и достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологий обработки заготовок. Кроме того, в техническом университете эти дисциплины служат базой для изучения многих специальных учебных курсов.

Взаимопроникновение учебного материала, излагаемого в кур
сах материаловедения и ТКМ, – дисциплин, которые в значительной степени развивались независимо друг от друга, привело 
к необходимости рассматривать процессы конструирования и изготовления технологичных изделий с единой точки зрения. В ходе принятия новых технологических решений при разработке различного рода машин эффективно используется междисциплинарный подход.
Важным этапом создания изделий является проектирование, 
во время которого конструктор закладывает в документацию 
определенный вариант конструкторско-технологического решения (КТР). При этом необходимо принимать такое КТР, которое 
удовлетворяет эксплуатационным требованиям, предъявляемым 
к изделию, и соответствует современному уровню развития материаловедения и технологии изготовления изделий. Конструктор должен учитывать свойства материала изделия и их изменение в процессе изготовления заготовок, включая последующие 
термическую и механическую обработки. Поэтому в условиях 
массового производства технологические свойства материала 
и экономические требования приобретают особое значение.

6

В процессе проектирования деталей с необходимыми показателями качества следует учитывать ряд требований, способствующих повышению технологичности изделий. В первую очередь 
это минимальная себестоимость первичной заготовки (слиток, 
профиль, поковка, отливка и др.) и последующих технологических процессов изготовления изделия. Вопросы технологичности конструкции должны решаться на стадии выбора марки материала, проектирования заготовки, ее механической и термической обработок, а также сборки всего изделия. Современная 
тенденция состоит в том, что отработка конструкции на технологичность смещается на стадию разработки конструкторской 
документации.
Выбор марки материала в процессе проектирования деталей 
определяется не только условиями их функционирования, но  
и изготовления в реальном производстве. В то же время технологические свойства материала существенно влияют на выбор 
метода и способа получения заготовок. Например, серый чугун 
и силумины имеют прекрасные литейные свойства и пригодны 
для фасонных отливок, а низкоуглеродистые стали используют 
для получения заготовок деталей холодной штамповкой.
Заготовки из одного и того же материала, полученные методами литья, обработки давлением и сварки, обладают разными 
свойствами. Например, литой металл характеризуется наличием 
дендритов различного размера и формы, неоднородностью химического состава и механических свойств по сечению отливки, 
наличием остаточных напряжений и т. д. После холодной обработки давлением заготовки имеют мелкозернистую структуру  
и определенную направленность расположения зерен и неметаллических включений, что, в свою очередь, формирует анизотропию свойств. Сварка приводит к образованию неоднородных структур в сварном шве и околошовной зоне в зависимости 
от вида и режима технологического процесса.
Термическую обработку заготовок используют как для фор
мирования требуемых свойств готового изделия, так и для обеспечения благоприятных условий при пластическом деформировании, механической обработке резанием, сварке и других 

7

процессах, применяемых для производства конструкций. Поэтому термическая обработка является составной частью технологии изготовления деталей машин и приборов с заданным комплексом свойств, требуемой точностью формы и размеров.
Следует отметить, что большинство учебников и учебных 
пособий по дисциплинам «Материаловедение» и «Технология 
конструкционных материалов» написано для будущих материаловедов и технологов, в то время как эти дисциплины в образовательных учреждениях высшего профессионального образования относятся к общеинженерному блоку и их преподают всем 
студентам, обучающимся в технических вузах. В становлении 
инженеров, бакалавров и магистров указанные дисциплины занимают особое место, так как способствуют формированию 
мышления будущих специалистов, призванных разрабатывать 
конкурентоспособные машины и приборы. В связи с этим необходима такая учебная литература, в которой излагаются вопросы и материаловедения, и технологии конструкционных материалов для студентов, приступающих к проектированию деталей 
и машин, т. е. нужна литература для начинающего конструктора.
В данном междисциплинарном учебном пособии материал 
объединен таким образом, чтобы облегчить работу студентов 
при проектировании (конструировании) технологичных изделий. Книга также будет полезна студентам и преподавателям  
в том случае, когда учебными планами предусмотрено изучение 
курса «Материаловедение» одновременно или после ТКМ.
Особенность данного издания заключается в том, что приведенный материал поможет будущим конструкторам и технологам сформировать умение выбирать как оптимальные марки материалов, так и рациональные технологические способы производства заготовок и деталей машин. Кроме того, совместное 
изложение вопросов материаловедения, термической обработки 
и процессов, применяемых для изготовления и формоизменения 
заготовок, в рамках одного учебного пособия позволяет сформировать у студентов компетенции, необходимые для решения 
практических задач при конструировании и разработке технологий изготовления машиностроительной продукции.

ВВЕДЕНИЕ

Управление качеством промышленной продукции  
и материалов технического назначения

Развитие техногенной цивилизации, к которой мы относимся, тесным образом связано с разработкой, аттестацией и применением принципиально новых технических и технологических 
продуктов. Появление подавляющего большинства из них является следствием создания новых или открытия ранее неизвестных свойств традиционно используемых материалов.
Необходимость удовлетворения возрастающих требований 
различных отраслей промышленности к материалам и структурам с улучшенными свойствами делает особо значимыми вопросы обеспечения и управления качеством их производства и применения. При этом построение системы управления качеством 
промышленных материалов требует знаний не только об их марках и составе, но и о тех процессах, в результате которых характеристики материалов могут изменяться. Это обстоятельство  
и определило подбор и компоновку сведений, представленных  
в настоящем издании.
Задача данного учебного пособия – сформировать у будущих специалистов ясное и систематизированное представление 
о свойствах материалов и закономерностях их изменения под 
действием технологической среды. Это представление позволит 
прогнозировать и корректно учитывать влияние на качество продукции таких важных факторов, как эксплуатационные и технологические характеристики материалов (статические и динамические).

9

Введение

10

Одним из основных принципов управления качеством является выбор стратегии принятия решений на основе фактического материала. Для того чтобы принять правильное решение, 
проводят анализ ситуации, в результате чего:
– устанавливают причину, которая выходит за заданные рамки допусков параметра диагностируемого продукта (процесса 
или изделия), т. е. причину возникновения несоответствия;
– вносят изменения в процессы, связанные с корректировкой 

параметров продукта (разрабатывают и реализуют корректирующие действия, устраняющие причину возникшего несоответствия).
Основная группа факторов, влияющих на принятие решения, 
приведена на рис. В1 в виде классической укрупненной диаграммы Исикавы (ее также называют «рыбий скелет» (англ. Fishbone 
Diagram)), позволяющей наглядно представить в графическом 
виде связь несоответствия с причинами, влияющими на его возникновение. На диаграмму Исикавы наносят основные «кости» 
(категории), которые имеют отношение к рассматриваемой проблеме. Для каждой категории строят дополнительные «кости», 
представляющие собой отдельные причины, а у тех, в свою очередь, добавляются свои подпричины. Продолжая детализацию, 
получим разветвленное дерево («скелет»), связывающее причины 

Рис. В1. Исходная диаграмма Исикавы

Управление качеством промышленной продукции и материалов технического назначения  

возникновения несоответствия, находящиеся на разном уровне 
детализации.

Уже в укрупненной диаграмме в качестве одного из основных факторов, принимаемых во внимание при управлении качеством, присутствует категория «материалы». Однако если продолжить детализацию анализа причин, то для реального производства среди подпричин, относящихся к прочим основным 
причинам (оборудование, технология, измерения, человек), обнаруживается влияние свойств материалов. На рис. В2 приведена часть диаграммы, построенной для технологического процесса монтажа системы управления сборочным конвейером.
Рассмотрим некоторые подпричины.
Нарушение правил последовательности монтажа может быть 
вызвано несколькими причинами, в том числе разрушением 
маркировочных знаков, что вносит путаницу в сборку. Первопричиной здесь является низкая стойкость материалов, использованных при изготовлении маркеров, к воздействиям технологической среды (кислоты, щелочь, вода, трение и т. п.).
Неточная подгонка и неправильное соединение элементов  
в монтажных узлах возникают вследствие отклонения от заданных параметров как материала, из которого выполнены коммутационные элементы монтажных узлов, так и материала, из которого изготовлен инструмент и оснастка.
Даже в первопричинах «человеческого фактора» могут лежать свойства материалов. Рассеяние внимания работника (приводящее к снижению качества продукции) возможно, например, 
из-за раздражения, связанного с качеством ткани спецодежды, 
фактурой поверхности ручного инструмента и т. д. Ряд примеров, показывающих, насколько многосторонним является влияние свойств материалов на качество продукции, можно продолжить. Таким образом, эффективное управление качеством в производстве невозможно без учета (а следовательно, и знания) 
свойств используемых материалов.
Под качеством подразумевается совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением.

Введение

12

Рис. В2. Фрагмент диаграммы, построенной для технологического процесса монтажа системы управления 

сборочным конвейером

Управление качеством промышленной продукции и материалов технического назначения  

Основные факторы, оказывающие влияние на качество продукции, приведены на рис. В3.
Качество продукции может быть оценено с помощью набора 
характеристик свойств продукции, которые называются показателями качества.
Показатель технического эффекта или назначения позволяет оценить полезный эффект от применения продукции по назначению. Например, концентрация (плотность) дислокаций в кремниевом монокристалле, предназначенном для производства больших интегральных схем, или твердость и износостойкость сплава 
для производства пар трения.
Показатели надежности характеризуют способность изделия (в частности, материала как изделия) сохранять заданные 
свойства в течение определенного срока при наличии оговоренных внешних воздействий. В их число входят безотказность (вероятность возникновения отказа при определенных условиях), 
время наработки на отказ, сохранность, ресурс или срок службы. Применительно к материалам сюда же относят предел временной усталости, температуростойкость и др. 
Показатели экономического использования позволяют оценить затраты материальных ресурсов, связанные с изготовлением продукции и ее последующим применением. Если речь идет 
о материалах, то данные показатели включают в себя также 
оценку экономической эффективности замены ранее использованных материалов на новые, обладающие улучшенными свойствами. Например, пластики с повышенной текучестью в рабочем 
диапазоне температур дают возможность использовать более простые по конструкции, а значит, и менее дорогие пресс-формы. 
Замена быстрорежущей стали на более прочную и износостойкую металлокерамику обеспечивает выпуск режущего инструмента, имеющего больший ресурс работы. В результате сокращаются материальные и временные затраты на переналадку 
станков и периодическую замену инструмента.
С помощью эргономических показателей оценивают качество 
продукции с точки зрения ее приспособленности к применению