Материаловедение

Москва  2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра горного оборудования, транспорта и машиностроения

К.И. Шахова
О.В. Белянкина

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания  
по выполнению курсовой работы

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3239

УДК 620.22:622.232(75) 
 
Ш-31

Р е ц е н з е н т 
канд.техн.наук, доц. РГУ им. А.Н. Косыгина П.А. Королев

Шахова К.И.
Ш-31  
Материаловедение : метод. указ. по выполнению курсовой 
работы / К.И. Шахова, О.В. Белянкина. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2019. – 36 с.

Содержит методические указания и справочные материалы, необходимые 
для выполнения курсовой работы по дисциплине «Материаловедение». 
Приведены требования и изложен подход к выбору сталей для изготовления изделий исходя из обеспечения необходимой прочности, надежности и 
долговечности, технико-экономических показателей.
Даны рекомендации по назначению режимов термической обработки различных сталей для формирования требуемых свойств.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 
«Горное дело», специализация «Горные машины и оборудование».

УДК 620.22:622.232(75)

 К.И. Шахова,
О.В. Белянкина, 2019
 НИТУ «МИСиС», 2019

Оглавление

Введение ....................................................................................................4
1 Определение допустимого напряжения ...............................................6
2 Обеспечение надежности ......................................................................8
3 Обеспечение долговечности ...............................................................13
4 Технологические и экономические требования ................................14
5 Выбор материала ..................................................................................15
7 Выбор режима окончательной термической обработки деталей 
машин .......................................................................................................19
8 Порядок выполнения курсовой работы .............................................26
Библиографический список ...................................................................35

Введение

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание 
прочности, надёжности и долговечности имеет сталь, поэтому она 
является основным материалом для изготовления ответственных 
изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Свойства стали 
зависят от её структуры и состава. Совместное воздействие 
термической обработки, которая изменяет структуру, и легирования 
– 
эффективный 
способ 
повышения 
комплекса 
механических 
характеристик стали.
Выбор стали для изготовления той или другой детали и метод 
ее упрочнения определяются в первую очередь условиями работы 
детали, величиной и характером напряжений, возникающих в ней в 
процессе эксплуатации, размерами и формой детали и т.д.
При выборе марки стали для конкретной детали конструктор 
должен учитывать требуемый уровень прочности, надёжности 
и долговечности детали, а также технологию её изготовления, 
экономию металла и специфические условия службы детали 
(температура, окружающая среда, скорость нагружения и т.п.).
Единых принципов при выборе марки стали пока не 
разработано, поэтому каждый конструктор выполняет эту задачу 
в зависимости от своего опыта и знаний; вследствие этого при 
выборе марки стали случаются и ошибки, что может привести к 
нежелательным последствиям.
Решая эту задачу, прежде всего необходимо знать форму, 
размеры и условия работы детали. Предположим, что чисто 
конструктивно 
оптимальное 
решение 
найдено. 
Если 
сила, 
воздействующая на деталь, известна, то можно определить уровень 
напряжений в наиболее опасных сечениях детали (чем сложнее 
конфигурация изделия, тем точность такого расчёта меньше). Так 
как модули упругости для всех сталей практически одинаковы 
(модуль нормальной упругости Е ≈ 2⋅105 МПа, модуль сдвига 
G ≈ 0,8⋅105 МПа), то во многих случаях можно подсчитать упругую 
деформацию при максимальной нагрузке. При невозможности 
проведения 
таких 
расчётов 
необходимо 
провести 
натурные 
испытания. Если эта деформация находится в допустимых пределах, 
то следует перейти к основному вопросу – выбору марки стали, а 

если нет, то необходимо изменить конфигурацию детали: увеличить 
сечение, ввести рёбра жесткости и др. Следует помнить, что путем 
подбора марки стали упругую деформацию уменьшить практически 
невозможно. После этого следует перейти к оценке прочности, 
надёжности и долговечности детали.
Прочность 
характеризует 
сопротивление 
металла 
пластической деформации. В большинстве случаев нагрузка не 
должна вызывать остаточную пластическую деформацию выше 
определённого значения. Для многих деталей машин (за исключением 
пружин и других упругих элементов остаточной деформацией, 
меньшей 0,2 %, можно пренебречь, то есть условный предел 
текучести σ0,2 определяет для них верхний предел допустимого 
напряжения [1].
Надежность 
– 
это 
свойство 
материала 
противостоять 
хрупкому разрушению. Деталь должна работать при соблюдении 
условий, предусмотренных проектом (напряжение, температура, 
скорость нагружения и т.п.), и преждевременный ее выход из строя 
свидетельствует о том, что она выполнена не из того металла, были 
нарушения технологии ее изготовления или допущены серьезные 
ошибки в расчетах прочности и т.д.
В 
процессе 
эксплуатации 
возможны 
кратковременные 
отклонения некоторых параметров от пределов, установленных 
проектом, и если при этом деталь выдержала экстремальные условия, 
то она надежна. Следовательно, надежность зависит от температуры, 
скорости деформации и других, выходящих за пределы расчета 
параметров.
Долговечность – это свойство материала сопротивляться 
развитию постепенного разрушения, и она оценивается временем, 
в течение которого деталь может сохранять работоспособность. 
Это время не бесконечно, так как в процессе эксплуатации могут 
изменяться свойства материала, состояние поверхности детали и т.п. 
Другими словами, долговечность характеризуется сопротивлением 
усталости, износу, коррозии, ползучести и другим воздействиям, 
которые определяются временными показателями.

1 Определение допустимого напряжения

Показателем, 
наиболее 
обобщённо 
характеризующим 
прочность материала, является условный предел текучести σ0,2, 
определенный на гладком образце при одноосном растяжении. В 
этом случае сталь имеет более низкие значения σ0,2 (при вязком 
разрушении), чем при других видах нагружения. Рассмотрим такой 
пример. Имеем три стали с разными значениями условного предела 
текучести: 
1
0,2  
s
<
2
0,2  
s
<
3
0,2
s
 (рисунок 1). Выясним, будет ли экономия 
материала, если вместо стали 1 применить более прочную сталь 
3. Это целесообразно, если могут быть использованы напряжения, 
равные 
3
0,2
s
, а это возможно, если допустима возникающая при таком 
напряжении деформация, равная Δl3. Если же при эксплуатации 
детали допустима деформация не более чем Δl1, то при напряжениях, 
больших 
1
0,2
s
, размеры детали выйдут за допустимые пределы. 
Следовательно, в этом случае замена стали 1 сталью 3 неэффективна.
Таким образом, степень допустимой деформации (упругой и 
пластической) определяет и допустимый уровень напряжения, что 
является основным для выбора марки стали по прочности.

l1 
l2 
l3 

,,,Напряжение 

Удлинение 

l 

Рисунок 1 – Начальный участок диаграммы растяжения в 
координатах «условное растягивающее напряжение σ – абсолютное удлинение Δl» сталей 1, 2, 3: σ = P/F0; Р – растягивающая нагрузка в данный момент испытания; F0 – начальная площадь поперечного сечения образца; Δl = li – l0; 
li – длина образца на расчетном участке в данный момент 
испытания; l0 – начальная расчетная длина образца

Данные ГОСТа (гарантируемые механические свойства) 
могут быть заложены в расчеты прочности деталей машин, если 
сталь на машиностроительных заводах не подвергается обработке, 
приводящей к изменению ее структуры (холодная или горячая 
пластическая деформация, термическая обработка и т.п.), т.е. свойства 
металла в исходном состоянии и в изделии остаются неизменными.
При повышении температуры отпуска от 200 до 600 оС условный 
предел текучести углеродистых сталей с 0,2 % С уменьшается от 1200 
до 600 МПа, а сталей с 0,4 % С – от 1600 до 800 МПа [2], следовательно, 
варьированием температуры отпуска можно изменить прочностные 
свойства стали примерно в два раза.
Однако в общем случае не следует стремиться к получению 
прочности выше необходимой, так как при этом, как правило, 
снижается вязкость стали, т.е. уменьшается надёжность стали как 
конструкционного материала. Другими словами, большой запас 
прочности, достигаемый применением более прочных материалов, не 
гарантия надёжности, скорее, наоборот.

2 Обеспечение надежности

Случаи неожиданных разрушений наблюдаются нередко при 
напряжениях в 2–4 раза меньших, чем допустимые, и еще в большее 
число раз меньших, чем σ0,2. При этом возможна лишь незначительная 
упругая деформация и практически полное отсутствие пластической 
[5]. Как же объяснить это противоречие?
Работа разрушения определяется по формуле

 
з
р
A
A
A
=
+
, 
(1)

где Аз – работа, затраченная на зарождение трещины; Ар – работа микропластической деформации в устье растущей трещины.
Любой поверхностный дефект приводит к уменьшению Аз, и 
могут наблюдаться случаи, когда Аз = 0 (внутренние дефекты менее 
существенны, так как наибольшие напряжения сосредотачиваются на 
поверхности детали). В этом случае только Ар материала определяет 
надежность детали. 
Для оценки надежности материала чаще всего используют 
следующие параметры [3]:
1) KCU = А/S0, где S0 – площадь поперечного сечения ударного 
образца в месте надреза радиусом 1 мм и глубиной 2 мм;
2) KCT = А/Sнетто, где Sнетто – площадь поперечного сечения 
ударного образца, в котором перед испытанием наведена усталостная 
трещина глубиной около 1 мм;
3) порог хладноломкости;
4) критерий Ирвина К1с.
Ударная 
вязкость 
KCU 
оценивает 
работоспособность 
материала в условиях ударного нагружения при комнатной 
температуре при наличии в металле U-образного концентратора 
напряжения. Параметр KCT характеризует работу развития трещины 
в этих же условиях нагружения и оценивает способность материала 
тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, 
то это означает, что процесс его разрушения идет за счет упругой 
энергии системы «образец – нож маятника копра». Такой материал 
хрупок, эксплуатационно ненадежен и, наоборот, чем больше 
параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше 
надежность материала в условиях эксплуатации.

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения 
температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. 
Его определяют по результатам испытаний образцов с надрезом 
при понижающейся температуре. Сочетание при таких испытаниях 
ударного нагружения, надреза и низких температур – основных 
факторов, способствующих охрупчиванию, важно для оценки 
поведения материала при эстремальных условиях эксплуатации.
На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают 
изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости 
(рисунок 2), наблюдаемое в интервале температур (tв – tн), где tв и tн – 
соответственно верхний и нижний порог хладноломкости.
Строение излома изменяется от волокнистого матового при 
вязком разрушении (tиспыт ≥ tв) до кристаллического блестящего при 
хрупком разрушении (tиспыт ≤ tн). 
Порог хладноломкости обозначают интервалом температур 
(tв–tн), либо одной температурой T50, при которой в изломе образца 
сохраняется 50 % волокнистой составляющей и величина KCU 
снижается наполовину.

Вязкая составляющая в изломе, % 

Температура t, оС 
T50 

50 

100 

tн 
tв 

Рисунок 2 – Влияние температуры испытания на процент 
вязкой составляющей в изломе и ударную вязкость KCU 
стали: T50 – температура, до которой материал работоспособен, дальнейшее снижение температуры ведет к 
мгновенному хрупкому разрушению

О 
пригодности 
материала 
для 
работы 
при 
заданной 
температуре судят по температурному запасу вязкости, равному 
разности температуры эксплуатации и T50. При этом, чем ниже 
температура перехода материала в хрупкое состояние по отношению 
к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости 
и выше гарантия от хрупкого разрушения. Запас вязкости для 
ответственных деталей, испытывающих динамические нагрузки, 
принимается равным 60 
оС, для неответственных деталей и 
промежуточного случая соответственно 20 и 40 оС.
На основании изложенного выше можно сделать вывод, 
что следует выбирать такой режим обработки, чтобы порог 
хладноломкости T50 детали, работающей при комнатной температуре, 
был бы не выше, чем 20…40 оС.
Порог хладноломкости стали существенно зависит от её 
чистоты, т.е. содержания в ней примесей. В таблице 1 приведено 
изменение T50 стали при увеличении на 0,01 % содержания некоторых 
примесей [4].

Таблица 1 – Влияние некоторых элементов на порог хладноломкости 
стали

Химический 
элемент
Смещение T50, 
оС
Химический 
элемент
Смещение T50, 
оС
O
+15
Cu
+1
N
+10
Sn
+30
C
+2
Zn
+7
P
+7
Bi
+25
S
-10
Sb
+20

Следует 
отметить, 
что 
влияние 
примесей 
на 
порог 
хладноломкости стали наиболее сильно проявляется при их 
содержании до ~0,05 %. При большей концентрации примесей 
интенсивность их влияния резко снижается. Обычно количество 
вредных примесей в стали составляет тысячные или десятитысячные 
доли процента. Наиболее значительно из них на температуру 
хладноломкости влияет кислород. Поэтому способ раскисления и 
вакуумная обработка – очень важные металлургические приемы 
повышения качества стали, так как они приводят к снижению 
содержания кислорода и азота в стали.

Помимо чистоты стали на порог хладноломкости влияют 
и структурные факторы, в частности, размер зерна: чем оно 
крупнее, тем T50 выше. Измельчить зерно можно путем проведения 
термической обработки. Поэтому при выборе марки стали необходимо 
решить, что в данном конкретном случае более целесообразно: 
получить сталь более высокой чистоты и удовлетвориться свойствами 
металла, полученными в состоянии поставки, или ориентироваться 
на 
термическую 
обработку. 
Для 
сталей, 
применяющихся 
в 
высокопрочном состоянии (σ0,2 = 1400…1800 МПа), необходимо 
использование всех способов повышения их надежности.
Высокопрочные стали являются уже не столь надежными, 
так как они полностью вязко не разрушаются, а имеют хрупковязкий излом, однако их также необходимо оценить с точки зрения 
надежности. При этом следует иметь в виду, что они обычно 
применяются для тонких деталей, а с уменьшением толщины 
(<10 мм) T50 резко понижается. В этом случае целесообразно 
воспользоваться критерием Ирвина K1c (интенсивность напряжений 
в устье трещины). Величина его зависит от силы, необходимой для 
продвижения вершины трещины на единицу длины. По своему 
смыслу и размерности (Н/м или Н⋅м/м2) критерий K1c аналогичен 
удельной работе распространения трещины (КСТ, Н⋅м/м2 или Дж/м2). 
При расчетах пользуются коэффициентом интенсивности напряжений 
в вершине трещины, МПа⋅м1/2:

 
1
1
c
c
K
EG
=
, 
(2)

где E – модуль упругости; G1c – модуль сдвига при плоском напряженном состоянии.
Высокопрочные материалы, как показал А. Гриффитс, потому 
и являются ненадежными, что они при хрупком и хрупко-вязком 
разрушении чрезвычайно чувствительны к различным дефектам. 
Следовательно, не идеальная прочность такого материала, которая 
равна теоретической (для стали 20 000 МПа), а величина дефекта 
(длина трещины) определяет допустимую нагрузку. Поэтому для 
высокопрочных материалов допустимы не почти мифические 
свойства прочности идеального материала, а размер дефекта и 
способность к затуплению трещины (косвенно характеризуемая 
значением К1с), что и определяет допустимую нагрузку (рисунок 3).