Выбор материала и метода упрочнения для валов и осей

М.Ю. Семенов, Л.П. Фомина, С.Ю. Шевченко

Выбор материала  

и метода упрочнения  

для валов и осей

Методические указания

Под редакцией Р.С. Фахуртдинова

УДК 621.785 
ББК 34.651 
        С30 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1742.html 

Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Материаловедение» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

 
 
 
Семенов, М. Ю.  
 
 
Выбор материала и метода упрочнения для валов и осей. 
Методические указания к лабораторной работе № 21 по 
курсу «Материаловедение» для машиностроительных спе-
циальностей / М. Ю. Семенов, Л. П. Фомина, С. Ю. Шев-
ченко; под. ред. Р. С. Фахуртдинова. — Москва : Издатель-
ство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 36, [4] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4797-8 
 
Рассмотрены основные показатели прочности, надежности и долго-

вечности валов и осей, которые следует учитывать при выборе материа-
ла для их изготовления и метода дополнительного упрочнения. Обосно-
вана необходимость рассмотрения критериев конструкционной прочно-
сти материалов для обеспечения надежной и долговечной работы валов. 
Для студентов машиностроительных специальностей, изучающих 
дисциплину «Материаловедение». 
 
УДК 621.785 
ББК 34.651 

  
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 
  
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4797-8                              МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 

С30 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Одной из главных целей преподавания дисциплины «Материа-
ловедение» является получение студентами знаний о рациональ-
ном применении используемых в технике материалов с учетом их 
эксплуатационных и технологических свойств.  
Дисциплина «Материаловедение» входит в базовую часть 
профессионального цикла подготовки бакалавров и специали-
стов. Изучение данной дисциплины базируется на курсах физики, 
химии, теории механизмов и машин, сопротивления материалов, 
деталей машин. 
Методические указания к лабораторной работе № 21 предна-
значены для студентов машиностроительных специальностей, 
изучающих дисциплину «Материаловедение». Целью работы яв-
ляется освоение методики выбора материала и метода упрочне-
ния валов и осей на основе анализа условий их эксплуатации. 
После выполнения лабораторной работы студенты смогут: 
‒ обосновывать выбор стали для изготовления валов и осей и 
вида ее термической и химико-термической обработки на основе 
амплитудных значений нормальных и касательных напряжений, 
коэффициента концентрации напряжений, коэффициента запаса 
по выносливости с учетом данных о длине и диаметре вала и известных 
сведений о прокаливаемости, виде и отрасли производства, 
стоимости стали; 
‒ применять на практике полученные навыки выбора материалов 
для изготовления валов и осей и знания технологии их термической 
и химико-термической обработки; 
‒ с помощью специальных справочников осуществлять обоснованный 
выбор материала типовых деталей и метода его обработки 
по изученному алгоритму действий с использованием доступных 
программных средств. 
Освоение современных подходов к выбору конструкционных 
материалов на примере валов и осей открывает студенту возможность 
решать широкий круг профессиональных задач, связанных 
с одновременным проектированием конструкции разрабатываемого 
изделия, определением материала для него и, как следствие, 
с выбором современного метода упрочняющей обработки. 

ВВЕДЕНИЕ 

Лабораторная работа № 21 посвящена выбору материала и 
вида термической обработки валов и осей. Установление расчетным 
путем требований к эксплуатационным свойствам валов и 
осей и определение на их основе метода упрочнения являются 
сложной инженерной задачей, требующей глубоких знаний по 
дисциплине «Материаловедение» и понимания основных закономерностей 
формирования структуры и свойств материалов в процессе 
их термической и химико-термической обработки. Материалы 
для валов и осей должны одновременно соответствовать требованиям 
по циклической прочности, износостойкости поверхности, 
прокаливаемости и ударной вязкости. Кроме того, необходимо 
обеспечить оптимальную технологичность и экономичность 
при выборе материала и технологического процесса его упрочнения, 
такого как поверхностное пластическое деформирование, 
поверхностная закалка токами высокой частоты, цементация, 
нитроцементация, азотирование, каждый из которых имеет свои 
преимущества, ограничения и недостатки. 
Объектом работы служит виртуальная деталь — вал или 
ось, — прочностные свойства которой моделируются на компью-
тере. Средствами управления объектом являются виртуальные 
технологические процессы упрочнения, результаты которых 
моделируются. 
Задачами проведения работы являются анализ прочностных 
характеристик материалов, применяемых для изготовления валов 
и осей, и изучение особенностей технологии их обработки. 
 
 
 

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

Выбор конструкционных материалов для изготовления деталей 
машин, а также способов их формообразования и упрочнения 
определяется совокупностью свойств, среди которых: 
эксплуатационные свойства, обеспечивающие конструкцион-
ную прочность, т. е. способность детали, обусловленную кон-
струкцией и материалом, выдерживать воздействие совокупности 
силовых (напряжения) и иных рабочих факторов (скоростные, 
температурные, химические и др.) без поверхностного или объ-
емного разрушения (рис. 1), комплекс данных свойств также 
называют несущей способностью материала; 
технологические свойства, обеспечивающие максимальную 
техническую простоту изготовления детали: 
– технологическая пластичность, 
– литейные свойства, 
– обрабатываемость резанием, 
– свариваемость и шлифуемость; 
экономические свойства, обеспечивающие минимизацию за-
трат на изготовление деталей (стоимости материала заготовки и 
обработки). 
Требуемые эксплуатационные свойства валов и осей зависят 
от назначения и конструкции этих деталей. Валы и оси пред-
ставляют собой детали, как правило, цилиндрической формы, 
длина которых существенно превосходит диаметр (он может 
быть постоянным или переменным). Валы, в отличие от осей, 
передают вращательный момент. Коленчатые валы, которые 
являются элементами конструкции кривошипно-шатунного ме-
ханизма, представляют собой детали (узлы) характерной слож-
ной конфигурации. 
В машинах и механизмах используют валы передач (рис. 2) 
и коренные валы (рис. 3). Типовые конструкции осей показаны 
на рис. 4. В валах и осях широко применяют разъемные соеди-
нения: шлицевые и шпоночные (рис. 5), которые являются кон-
центраторами напряжений и влияют на конструкционную проч-
ность валов и осей, и, следовательно, их необходимо принимать 
во внимание при выборе материала и метода упрочнения. 

Рис. 1. Эксплуатационные свойства, определяющие несущую способность деталей машин 

Рис. 2. Валы передач: 

а, б — ступенчатые; в — вал-шестерня; г — вал-червяк; д — эксцентриковый 
вал; е — полый вал; ж — торсионный вал; з — вал с зубчатой полумуфтой;  
                                       и — вал планетарной передачи 

Рис. 3. Коренные валы:  

а — вал турбины; б — шпиндель станка; в — вал электрического двигателя;  
г — коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания 

 

 
Рис. 4. Оси:  

а, б, в — гладкие; г, д — ступенчатые; е — вращающаяся ось колесной пары 

Рис. 5. Разъемные соединения: 

а — шлицевое; б — шпоночное 

Валы испытывают изгибные и сдвиговые напряжения, как 
правило, переменные по знаку и модулю, оси — только изгибные. 
Основными эксплуатационными характеристиками валов и 
осей являются статическая и усталостная прочность, а также 
жесткость.  
Шейки коленчатых валов, штоки амортизаторов, ролики конвейеров 
и ряд других деталей подвергаются трению, которое вызывает 
изнашивание. Кроме того, на отдельные валы воздействуют 
абразивные частицы (например, детали буровой техники, 
шпиндели металлорежущих станков и т. п.). Долговечность таких 
деталей зависит также от износостойкости поверхности.  
Некоторые валы эксплуатируются в условиях низких температур, 
агрессивных сред, ударных нагрузок (например, валы бу-

ровых, горно-металлургических и отдельных транспортных машин), 
сказывающихся на их надежности и долговечности.  
Совокупность указанных факторов, определяющих работоспособность 
валов и осей, необходимо учитывать при выборе материала 
и способа упрочнения. Одновременно следует принимать 
во внимание требования технологичности и экономические показатели (
оптимизацию расходов на материал и обработку, соотношение 
цены и качества). 
При проверке выполнения требований, вытекающих из условий 
эксплуатации валов и осей, используют следующие характеристики 
материалов: 
Е — модуль нормальной упругости, МПа; 
G — модуль сдвига, МПа; 
σв (τв) — предел прочности при растяжении (сдвиге), МПа; 
σт (τт) — предел текучести при растяжении (сдвиге), МПа;  
σR (τR) — предел выносливости при растяжении (сдвиге), 
МПа, где R — коэффициент асимметрии цикла; 
σ–1 (τ–1) — предел выносливости при симметричном растяжении (
сдвиге), МПа;  
K1c — предельный коэффициент интенсивности напряжений, 
или критерий трещиностойкости Ирвина, МПа·мм1/2; 
KС — ударная вязкость, МДж/м2 (обозначается также KСU, 
KСV, KСT в зависимости от метода определения); 
HRC, HB, HV — твердость, определенная по Роквеллу, Бри-
неллю и Виккерсу соответственно (при этом следует учитывать, 
что шкала HRC — для высокопрочных материалов, кроме тонких 
слоев, например, азотированных, когда следует применять шкалу 
HV; шкала HB предназначена для относительно мягких материалов; 
шкала HV является универсальной); 
H — микротвердость, МПа: 10 МПа = 1 HV; 
IV — скорость изнашивания, мкм3/мин; 
t50 — порог хладноломкости, °С. 
Совокупность свойств конкретного материала определяется 
его химическим составом и структурой и, следовательно, может 
существенно изменяться в зависимости от выбранного способа 
упрочнения: термической и химико-термической обработки, а 
также пластической деформации. При проведении поверхностного 
упрочнения свойства на поверхности и в сердцевине детали 
могут существенно различаться.