Материаловедение и технология конструкционных материалов

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ

М. Е. Перфилов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Курс лекций

Новосибирск 2012

Кафедра технологии машиностроения

УДК 621.9
ББК 34.5
К 647

Рецензент: канд. техн. наук, доц. А. И. Дюкарев
Автор-составитель: канд. техн. наук, доц. М. Е. Перфилов

Материаловедение и технология конструкционных материалов: 

курс лекций / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т.; сост.: М. Е. Перфилов. – Новосибирск, 2012. – 283 с.

Представлены теоретические и справочные материалы, методиче
ские рекомендации по дисциплине «Материаловедение и технология 
конструкционных материалов» для студентов Инженерного института 
всех форм обучения по направлению Агроинженерия.

Курс лекций утвержден и рекомендован к изданию методическим 

советом Инженерного института (протокол № 3 от 4 октября 2011 г.).

© НГАУ, 2012
© Инженерный институт, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Предмет «Материаловедение и технология конструк
ционных материалов» является одним из профилирующих 
и одновременно комплексных из базового блока общепрофессиональных дисциплин.

В объеме данной дисциплины студенты изучают основ
ные вопросы, связанные с применяемыми в сельском хозяйстве материалами, в том числе с использованием самых современных технологий, знакомятся с процессами получения 
заготовок различными методами и дальнейшей их обработкой на металлорежущем оборудовании, что необходимо для 
современной постановки вопросов ремонта техники в АПК.

Изучение данной дисциплины является особенно акту
альным, с учетом того, что материаловедение и технология 
конструкционных материалов служат базой для изучения 
специальных дисциплин, таких как сопротивление материалов, детали машин, технология сельскохозяйственного машиностроения и др.

В представленном курсе лекций сделана попытка 

в сжатой форме представить материал, необходимый для 
изучения и понимания основных вопросов и разделов дисциплины.

Лекция 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

Производство цветных и черных металлов

Металлы – кристаллические вещества, обладающие 

прочностью, пластичностью (ковкостью), электропроводностью, теплопроводностью и блеском.

Технические металлы – это сплавы, образованные за 

счет примесей, которые во многих случаях вводят специально.

Сталь и чугун – черные металлы (при содержании <2 % 

углерода (C) и >2 % C соответственно).

Цветные металлы – медь, алюминий, магний, цинк, 

олово, свинец, титан и их сплавы.

Получение металлов, как черных, так и цветных, осно
вано на металлургическом производстве – области науки, 
техники и отрасли промышленности, охватывающей различные процессы получения металлов из руд или других 
материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов.

Механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства характеризуют работоспособ
ность металла.

Прочность – способность металла под воздействием 

внешних сил не разрушаться. В зависимости от направления внешних сил различают прочность при растяжении, 
сжатии, изгибе.

Твердость – характеризует сопротивление металла про
никновению в него другого тела. Под воздействием внешних 
сил металл меняет свою форму и размеры – деформируется.

Два вида деформаций – упругие, которые после прекра
щения действия сил исчезают, и пластические (остаточные), 
которые после действия сил остаются в металле. Эти свой

ства характеризуют статические характеристики металлов 
при воздействии постепенно приложенных или медленно 
возрастающих сил.

Возможны и динамические нагрузки – быстро возраста
ющие или мгновенно приложенные ударные силы.

Вязкость – характеризует способность металла под 

ударными нагрузками пластически деформироваться, не 
разрушаясь.

Хрупкость – свойство металла разрушаться под ударны
ми нагрузками без заметных пластических деформаций.

Все детали машин должны обладать определенной проч
ностью и упругостью, а также пластичностью и вязкостью.

Эти свойства проверяются механическими испытания
ми, основные из них: испытания на растяжение, на удар и на 
твердость (сжатие, изгиб, кручение, циклическое нагружение и др.).

Испытания на растяжение

Вырезают из металла образец, вставляют в зажимы раз
рывной машины и подвергают растяжению под действием 
постепенно возрастающих нагрузок.

Напряжение (нагрузка на единицу площади поперечно
го сечения):

σ = Р / F0, МН / м2 (кгс / мм2),

где Р – нагрузка, МН (кгс); 

F0 – площадь поперечного сечения образца, м2 (мм2).
При напряжениях, превышающих предел упругости, 

наряду с упругими возникают и пластические деформации. 
Далее наступает момент, когда материал пластически деформируется без дальнейшего увеличения нагрузки, т. е. наблюдается текучесть материала.

Рис. 1. Схемы цилиндрического образца 

на различных стадиях растяжения:

а – образец до испытания (l0 и d0 – начальные расчетные длина и диаметр; б – образец, 
растянутый до максимальной нагрузки (lp и dp – расчетные длина и диаметр образца 
в области равномерной деформации); в‑образец после разрыва (lk – конечная расчетная 

длина; dk – минимальный диаметр в месте разрыва)

Минимальное напряжение, при котором начинается те
кучесть, называется пределом текучести:

,

0
F

PB
T =
σ
 МН/м2 (кгс/мм2),

где РT –  минимальная нагрузка, при которой появляется те
кучесть материала.

При максимальном значении нагрузки деформация со
средоточивается на участке, близком к середине образца, 
где происходит пластическое удлинение, площадь поперечного сечения уменьшается, нагрузка падает и происходит 
разрушение образца. Напряжение при наибольшей нагрузке 
перед разрушением образца:

0
F
PB
B =
σ
, мн/м2 (кгс/мм2),

называется пределом прочности при растяжении.

Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
Условное напряжение, при котором остаточные дефор
мации впервые достигают некоторой малой величины, называются пределом упругости:

0

е
уп.
P
F
,

где Ре – нагрузка, соответствующая пределу упругости; 

F0 – площадь поперечного сечения образца.

Рис. 2. Схема машинных (первичных) диаграмм 

растяжения пластичных материалов: a – с площад‑

кой текучести; б – без площадки текучести

Абсолютное удлинение образца после разрушения:

o
k



−
=
∆
, м,

где ℓк – конечная длина образца; 

ℓо – начальная длина образца.
Относительное удлинение:

%
100
0

0 ⋅
−
=


 k
d

Относительное сужение образца после испытания:

%
100
⋅
−
=
o

k
o
F
F
F
ψ

Упругость металла характеризуется показателем σуп, 

прочность – σт и σв, пластичность – δ и ψ.

Испытания на твердость

Твердость – свойство материала оказывать сопротивле
ние контактной деформации или хрупкому разрушению при 
внедрении индентора (наконечника из твердого материала) 
в его поверхность. Испытания на твердость – самый доступный и распространенный вид механических испытаний. 
Наибольшее применение в технике получили статические 
методы испытания на твердость при вдавливании индентора: Бринелля, Роквелла и Виккерса.

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 

9012–59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р 
и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d. 
Число твердости по Бринеллю обозначается символом HB 
с указанием числа твердости (безразмерного).

Рис. 3. Схема испытания на твёрдость:

а – по Бринеллю; б – по Виккерсу; в‑по Роквеллу

При испытании на твердость по методу Виккерса (ГОСТ 

2999–75) в поверхность материала вдавливается алмазная 
четырехгранная пирамида с углом при вершине α = 1360.

После снятия нагрузки вдавливания измеряется диаго
наль отпечатка d1. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости 
(кгс/мм2) не ставится. Преимущество метода Виккерса по 
сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 

9013–59) в поверхность материала вдавливается алмазный 
конус с углом при вершине 1200 или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Число твердости по методу Роквелла обозначается символом HR. В зависимости от формы индентора 
и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, или В, или С, обозначающая соответствующую шкалу измерений.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с метода
ми Бринелля и Виккерса заключается в том, что сравнение 
твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость 
в оптическом измерении размера отпечатка.

Для измерения твердости тонких слоев материалов 

и даже их отдельных структурных оставляющих применяют 
метод микротвердости (ГОСТ 9450–76). Этот метод по существу не отличается от метода Виккерса, однако при этом 
используют малые нагрузки вдавливания: 0,049 (0,005), 
0,098 (0,01), 0,196 (0,02), 0;9 (0,05), 0,98 (0,1), 1,962 (0,2), 4,9 
(0,5), Н (кгс).

Испытание на ударную вязкость

Образец с надрезом устанавливается на опоры маятни
кового копра при дальнейшем ударе маятника по образцу.

Рис. 4. Схема испытания на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре; 1 – корпус; 

2 – маятник; 3 – образец

Работа на разрушение образца:

А = Р (H – h), МДж (кгсм), 

где Р –  сила, с которой маятник действует на образец, H 

(кгс), (вес маятника).

Ударная вязкость:

ан = А / F, МДж/м2 (кгсм / см2),

где F – площадь сечения образца в месте надреза, м2.

Усталость – характеристика, определяемая при разру
шении металла после многократного воздействия нагрузок, 
меняющих величину и направление.

Выносливость – свойство металла сопротивляться раз
рушению от усталости. Разрушение происходит по поверхности действия наибольших растягивающих напряжений sВ.

Предел выносливости – наибольшее напряжение, кото
рое может выдержать металл без разрушения N раз (задается техническими условиями).

Для стальных образцов предел выносливости определя
ют на базе 5 млн циклов, для легких литейных сплавов – 20.