Детали машин: машиностроительные материалы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

№ 769

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

Детали машин

Машиностроительные материалы

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для 
студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
направлению 150100 – Металлургия

Москва     Издательский Дом МИСиС     2010

УДК 621.8
 
Д38

Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. Б.А. Романцев

Детали машин:   Машиностроительные   материалы: Учеб. поД38 собие / И.Г. Морозова, М.Г. Наумова, А.Н. Веремеевич, В.М. Жариков. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 132 с.
ISBN 978-5-87623-309-7

В учебном пособии рассмотрен широкий спектр современных машиностроительных материалов с учетом специфики кафедры инжиниринга технологического оборудования. Набор материалов определен на основе учебных 
программ и целиком не может быть представлен в процессе аудиторных занятий. Приведены примеры химического состава, способов получения и областей применения материалов.
Содержание пособия соответствует учебной программе курса «Детали машин».
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150100 «Металлургия» и специальностям 150701, 150702, 150404.

УДК 621.8

ISBN 978-5-87623-309-7
© И.Г. Морозова, 
М.Г. Наумова, 
А.Н. Веремеевич, 
В.М. Жариков, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Классификация металлов .....................................................................5
2. Машиностроительные стали ................................................................7
2.1. Основные определения и понятия .................................................. 7
2.2. Классификация сталей ...................................................................... 8
2.3. Маркировка сталей ..........................................................................11
2.4. Примеси в сталях ............................................................................ 15
2.5. Углеродистые стали обыкновенного качества.
Горячекатаные стали .............................................................................. 20
2.6. Низколегированные строительные стали. Арматурные стали .. 24
2.7. Углеродистые качественные стали ................................................ 29
2.8. Пружинные стали  ........................................................................... 33
2.8.1. Классификация и требования ................................................. 33
2.8.2. Пружинные стали общего назначения .................................. 35
2.8.3. Пружинные стали специального назначения. ...................... 42
2.9. Подшипниковые стали ................................................................... 48
2.9.1. Баббиты ..................................................................................... 48
2.9.2. Шарикоподшипниковые стали ............................................... 51
2.10. Инструментальные стали и их свойства .................................... 52
2.11. Углеродистые инструментальные стали ..................................... 56
2.12. Легированные инструментальные стали .................................... 60
2.12.1. Принципы легирования и назначение ................................. 60
2.12.2. Быстрорежущие стали. Марки быстрорежущих сталей  .. 61
2.12.3. Штамповые стали .................................................................. 65
2.12.4 Твердые сплавы ....................................................................... 70
2.12.5. Стали для прокатных валков  ............................................... 71
2.12.6. Стали для измерительных инструментов ........................... 74
2.13. Стали и сплавы с особыми свойствами ...................................... 75
2.13.1. Закономерности теплового расширения металлов
и сплавов. Сплавы с заданным значением теплового
расширения ......................................................................................... 76
2.13.2. Сплавы с постоянным модулем упругости ......................... 78
2.13.3. Магнитные стали и сплавы .................................................. 79
2.13.4. Аморфный металл (металлическое стекло) ....................... 86
2.13.5. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы .... 87
3. Серые чугуны, применяемые в общем машиностроении ...............91
3.1. Структура чугуна. Форма графита ................................................ 91
3.2. Свойства чугунов. Влияние примесей ......................................... 92

3.3. Марки чугунов ................................................................................. 95
4. Цветные металлы и сплавы в машиностроении ..............................98
4.1. Алюминий и его сплавы ................................................................. 98
4.1.1. Общая характеристика .................................................................
4.1.2. Классификация алюминиевых сплавов................................. 99
4.1.3. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической 
обработкой ........................................................................................ 100
4.1.4. Дюралюминий и другие деформируемые сплавы ............. 101
4.1.5. Специальные алюминиевые сплавы.................................... 102
4.2. Медь и ее сплавы ........................................................................... 106
4.2.1. Общая характеристика .......................................................... 106
4.2.2. Латуни ..................................................................................... 108
4.2.3. Бронзы ......................................................................................110
4.3. Благородные металлы ....................................................................112
4.4. Легкоплавкие сплавы и припои ....................................................113
5. Биметаллические композиционные материалы, применяемые
в машиностроении ................................................................................ 116
5.1. Двухслойные и многослойные металлы .....................................116
5.2. Композиционные материалы ........................................................118
Библиографический список .................................................................122
Приложения  ..........................................................................................123

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем 
не менее по некоторым признакам их можно объединить в группы.
Прежде всего, все металлы можно разделить на две большие группы: черные и цветные.
Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность 
(кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой 
группы является железо.
Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.
Черные металлы, в свою очередь, можно подразделить следующим 
образом:
1) железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые 
ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, 
никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а 
также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по 
своим свойствам на высоколегированные стали;
2) тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, 
чем у железа (т.е. выше 1539 ºС). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих 
сплавов;
3) урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное 
применение в сплавах для атомной энергетики;
4) редкоземельные металлы (РЗМ) – лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с 
ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма 
близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки 
к сплавам других элементов, в природных условиях встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для 
присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый 
мишметалл, содержащий 40...45 % Ce и 45...50 % всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным сплавам РЗМ относят 
ферроцерий  (сплав церия и железа с заметными количествами других 
РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др.;

5) щелочно-земельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев (например, в качестве теплоносителей в атомных реакторах).
Цветные металлы подразделяются на:
1) легкие металлы – бериллий, магний, алюминий, обладающие 
малой плотностью;
2) благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой 
группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним 
может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой 
устойчивостью против коррозии;
3) легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, 
висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими 
свойствами – галлий, германий.
Применение металлов определяется их распространенностью в 
природе, а в историческом аспекте – развитием техники.
Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Затем начали применять металлы, которые относительно легко восстанавливаются (олово, свинец) или их достаточно много в природе (железо).
Большинство металлов было открыто в XIX в., хотя тогда они не 
все получили промышленное применение.

2. МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

2.1. Основные определения и понятия

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых строения, 
структуры, физико-химических и механических свойств.
Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, 
Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также P, S, N, Se, Te, Pb, Ce, La и 
др. Перечисленные элементы, а также H, O, Sn, Sb, As, Bi могут быть 
также применены в стали. Содержание легирующих элементов  в стали 
может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.
Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав 
стали в процессе ее производства как технологические добавки или 
как составляющие шихтовых материалов. Содержание примесей в 
стали обычно ограничивается следующими пределами: Mn ≤ 0,8 %; 
Si ≤ 0,4 %; Cr ≤ 0,3 %; Ni ≤ 0,3 %; Cu ≤ 0,3 %; Mo ≤ 0,10 %; W ≤ 0,2 %; 
P ≤ 0,025...0,040 %; S ≤ 0,015...0,050 %.
Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический 
состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки 
требуемую структуру и свойства.
В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, 
чем содержание этих же элементов в виде примесей.
Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, B) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В – в тысячных долях процента). 
Такие стали иногда называют микролегированными.
Понятие специальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям кроме легированных могут относиться и углеродистые стали, если им приданы специальные 
свойства посредством определенных способов производства и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определенного назначения и качества:
качественные конструкционные;
 –
инструментальные;
 –
термически упрочненные;
 –
для холодной штамповки и др.
 –

2.2. Классификация сталей

К машиностроительным относят конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов 
и отдельных видов изделий.
В машиностроении потребляется около 40 % от производства в 
стране стали, и по числу марок машиностроительные стали являются 
самыми многочисленными. В зависимости от условий эксплуатации 
(а они в отдельных машинах и механизмах сильно различаются) требования к сталям будут неодинаковыми. Однако к конструкционным 
машиностроительным сталям предъявляется и целый ряд общих требований, основными из которых являются:
высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным 
 –
сочетанием прочности, вязкости и пластичности; 
необходимые технологические свойства – хорошая обрабаты –
ваемость давлением и резанием, свариваемость, малая склонность к 
образованию трещин, короблению, обезуглероживанию при термической обработке;
специальные свойства: износостойкость, теплоустойчивость, 
 –
определенные физические свойства и т.д.
Существует несколько признаков классификации машиностроительных сталей:
по составу: углеродистые, легированные;
 –
по обработке: улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азо –
тируемые, мартенситно-стареющие и т.д.;
по назначению: пружинные, шарикоподшипниковые, криоген –
ные и т.п.
Нет единой классификации сталей. Существует много признаков, 
по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть 
однозначными для большого числа марок сталей.
Рассмотрим классификацию сталей по наиболее общим признакам.
По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно 
подразделяют на:
углеродистые (нелегированные) стали;
 –
низколегированные стали;
 –
легированные стали;
 –
высоколегированные стали;
 –
сплавы на основе железа.
 –

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, 
регламентированных соответствующими ГОСТами.
В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих 
элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных – от 2,5 до 10 %, в высоколегированных – более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.
Сплавы на основе железа содержат менее 45 % Fe, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.
В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, 
никелевыми, а также хромоникелевыми, хромо-марганцовистыми, 
хромокремнистыми, хромованадиевыми, никель-молибденовыми, 
хро  моникельмолибденовыми, хромомолибденованадиевыми, хромокремнемарганцовоникелевыми и т.п.
По назначению специальные стали подразделяют на:
конструкционные;
 –
инструментальные;
 –
стали с особыми физическими свойствами.
 –
Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в 
машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали подразделяют на:
строительные;
 –
машиностроительные;
 –
стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые, жа –
ропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие.
Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой 
твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.
Инструментальные стали подразделяют на:
стали для режущего инструмента;
 –
штамповые стали;
 –
стали для измерительного инструмента.
 –
К сталям и сплавам с особыми свойствами относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством:
нержавеющие;
 –
жаропрочные и теплоустойчивые;
 –

износоустойчивые;
 –
с особенностями теплового расширения;
 –
с особыми магнитными и электрическими свойствами и т.д.
 –
Внутри указанной классификации существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.
Классификация сталей по структуре в значительной степени условна.
По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на:
доэвтектоидные;
 –
эвтектоидные;
 –
заэвтектоидные.
 –
Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по отношению к его положению в углеродистой стали. Поэтому в 
зависимости от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может быть при разном содержании углерода.
Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (~900 °С). При этом в зависимости от структуры 
стали подразделяют на:
перлитные;
 –
бейнитные;
 –
мартенситные;
 –
ледебуритные;
 –
ферритные;
 –
аустенитные.
 –
Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают углеродистыми 
и низколегированными, мартенситные – легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированные. Однако такая связь между структурой и легированностью 
стали далеко не однозначна. Наряду с перечисленными могут быть 
смешанные структурные классы:
ферритно-перлитный;
 –
ферритно-мартенситный;
 –
аустенитно-ферритный;
 –
аустенитно-мартенситный.
 –
Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % 
феррита (как второй структуры).
По качеству стали подразделяют на:
стали обыкновенного качества;
 –

качественные стали;
 –
высококачественные стали;
 –
особовысококачественные стали.
 –
Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования к химическому составу и прежде всего к содержанию 
вредных примесей, таких как фосфор и сера (табл. 2.1).

Таблица 2.1
Предельное содержание фосфора и серы, %, в сталях разной категории качества

Сталь
Р
S
Обыкновенного качества
0,040
0,050
Качественная
0,035
0,035
Высококачественная
0,025
0,025
Особовысококачественная
0,025
0,015

Категория обыкновенного качества может относиться только к 
углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.
Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, 
относящимся к разным сталям, существуют более частные классификации определенных групп сталей, которые будут рассмотрены в соответствующих частях.

2.3. Маркировка сталей

В России принята буквенно-цифровая система обозначения марок 
сталей и сплавов. 
Углеродистые конструкционные качественные стали обозначают 
двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода в 
сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25 ... 80; 85). 
Для сталей, полностью не раскисленных (при С < 0,20 %), в обозначение добавляются индексы: кп – кипящая сталь, пс – полуспокойная 
сталь (например, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается. Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и 
следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в 
десятых долях процента (например, У7; У8; У9; УI0; У11; У12; У13). 
В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами:
А – азот,
Д – медь,
С – кремний,
К – кобальт,
Е – селен,
Ф – ванадий,

Т – титан,
М – молибден,
Х – хром,
Б – ниобий,
Н – никель,
Ц – цирконий,
В – вольфрам,
П – фосфор,
Ю – алюминий. 
Г – марганец,
Р – бор,

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого 
числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых 
(инструментальные стали) долях процента.
Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42...0,50 % С; 0,5...0,8 % 
Mn; 0,8...1,0 % Cr; 1,3...1,8 % Ni; 0,2...0,3 % Mo и 0,10...0,18 % V, обозначается маркой 45ХН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая), содержащая 0,32...0,40 % C; 0,80...1,20 % Si; 0,15...0,40 % Mn; 
4,5...5,5 % Cr; 1,20...1,50 % Mo и 0,3...0,5 % V, обозначается 4Х5МФС.
Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1 % и более, то цифру марки в начале иногда вообще не ставят 
(например, Х, ХВГ).
Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественной (30ХГСА), если та же буква в середине марки, то сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» 
указывает на то, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).
Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через 
дефис в конце марки буквы «Ш» (30ХГС-Ш или 30ХГСА-Ш).
Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относятся 
к категории качественных (30ХГС).
В марках быстрорежущих сталей в начале приводят букву «Р», за ней 
следует цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежущих сталях содержится около 4 % Сr, поэтому в обозначении марки 
буквы «Х» нет. Ванадий, содержание которого в различных марках колеблется в пределах от 1 до 5 %, обозначается в марке, если его среднее содержание 2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежущих 
сталях пропорционально количеству ванадия, то содержание углерода в 
маркировке стали не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или кобальт, количество указывается в марке.