Назначение и выбор металлических материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Р. Бараз, М. А. Филиппов, М. А. Гервасьев

Назначение и выбор
металлических материалов

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 
150100 — Материаловедение и технология материалов 
и 150400 — Металлургия

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета
2016

УДК 669.2/.8.017(075.8)
ББК 34.23я73
          Б24

Рецензенты:
кафедра металлургии, сварочного производства и методики профессионального 
образования Российского государственного профессионально-
педагогического университета — РГППУ (завкафедрой д-р техн. наук, 
проф. Б. Н. Гузанов);
д-р техн. наук, проф. Б. А. Потехин (Уральский государственный лесотехнический 
университет)

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. В. В. Березовская

 
Бараз, В. Р.
Б24    Назначение и выбор металлических материалов : учебное пособие / 
В. Р. Бараз, М. А. Филиппов, М. А. Гервасьев. — Екатеринбург :  
Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 192 с.

ISBN 978-5-7996-1710-3

В пособии приведены справочные данные и сформулированы основные принципы, 
которыми следует руководствоваться при выборе металлических сплавов 
различного назначения и технологий их термической обработки. Рассмотрены 
примеры задач по выбору металлических сплавов и упрочняющих технологий для 
типичных деталей машиностроения. Представлена компьютерная программа автоматизированного 
выбора материалов и технологий в машиностроении и методика 
практического пользования этой программой.
Учебное пособие предназначено для студентов машиностроительных и металлургических 
специальностей, а также может быть полезно для инженерно-технических 
работников предприятий и научно-исследовательских институтов.

Библиогр.: 11 назв. Табл. 34. Рис. 75.

УДК 669.2/.8.017(075.8)
ББК 34.23я73

ISBN 978-5-7996-1710-3 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2016

Введение

П

рофессиональная обязанность материаловеда-технолога — 
уметь технически грамотно и обоснованно решать задачи 
по выбору материала для конкретной детали и технологии 
ее получения. Обычно задание на выбор материала и технологии его 
обработки исходит от конструктора, который формирует перечень 
требуемых эксплуатационных и технологических показателей (в виде 
цифр и пожеланий). Однако подобные формулировки практически 
всегда оказываются неполными, а иногда и не совсем точными. Поэтому 
материаловеду зачастую приходиться решать такую задачу в ситуации 
неполного знания об условиях работы данной детали, не имея 
исчерпывающих представлений об уровне функциональных свойств 
используемого материала.
Принятию решения по выбору нужного материала (из числа имеющихся) 
обычно предшествует обстоятельный сбор более полной 
информации и последующий тщательный ее анализ по поводу существующей 
конструкции или имеющегося агрегата, для которых 
предназначена искомая деталь. Такой информационный задел может 
включать сведения о зарегистрированных недостатках, отказах и поломках. 
Полезными также являются данные о том, представляет ли 
изделие собой оригинальную конструкторскую разработку или оказывается 
усовершенствованием уже освоенной. Кроме того, важно 
знать, определяет ли материал качество и технологичность конструк-
ции решающим образом или же он обеспечивает вторичные функции. 
Приходится, наконец, учитывать и другие немаловажные факторы — 
предполагаемый объем производства и, соответственно, планируе-
мое потребление материала, экономические и другие разумные сооб-
ражения.
В рамках данного справочного пособия возможные ситуации по вы-
бору подходящего материала ориентированы на поиск такового из чис-

Введение

ла уже известных и освоенных промышленностью. Обычно каждый 
случай решения задачи по поиску нужного материала и приемлемого 
технологического режима имеет вполне индивидуальный характер, по-
скольку касается конкретной ситуации. Тем не менее сама процедура 
изыскания материала подчиняется определенному алгоритму и вклю-
чает осуществление ряда последовательных действий. Отметим наи-
более существенные из них.

1. Оценить условия работы детали и определить перечень требуемых 
свойств и их числовые показатели. Обычно принимаются во внима-
ние ряд стандартных механических, физико-химических и технологи-
ческих характеристик (например, показатели прочности и пластично-
сти, величина удельного электросопротивления, обрабатываемость 
резанием, свариваемость и т. д.).

2. Определить группу материалов по следующим видам: конструк-
ционные стали общего назначения, инструментальные стали, специ-
альные стали и сплавы (жаропрочные, нержавеющие, износостойкие 
и проч.), чугуны, цветные сплавы.
Для помощи в решении этого вопроса обычно следует использовать 
технические справочники и учебную литературу, где приведены дан-
ные о примерных назначениях сталей, сплавов, неметаллических ма-
териалов для различных изделий. В настоящем справочном пособии 
приведены наиболее распространенные и доступные сведения о разно-
образных металлических материалах. В случае надобности иметь более 
полные и подробные сведения можно воспользоваться приведенным 
библиографическим списком [1–11]. В некоторых случаях удается по-
черпнуть полезную информацию из оригинальных научных публика-
ций в журналах или из монографий. Наконец, мощным современным 
средством поиска является наличие ряда компьютерных баз данных, 
которые облегчают формальный поиск материала (чаще всего по по-
казателям механических характеристик). Однако использование и это-
го метода также может привести к неоптимальному решению, так как 
весьма трудно учесть множество разнонаправленных факторов, кото-
рые в совокупности определяют соотношение качества и цены изде-
лия, обусловливающих его конкурентоспособность.

3. Следует учитывать экономические соображения — если для дан-
ного типа деталей можно использовать несколько различных марок, 
например, сталей, то выбирается наименее легированная, но обеспе-
чивающая прокаливаемость заданного конкретного сечения. И, нао-

Введение

борот, дорогостоящие легированные стали, содержащие Ni, Mo, W, V, 
или цветные сплавы следует рекомендовать лишь в тех случаях, ког-
да выбор более дешевых материалов не способен обеспечить требова-
ния, обусловленные заданием.

4. Важно учитывать технологические свойства — это позволяет ис-
пользовать более производительные и экономичные процессы. В ре-
зультате удается не только улучшить функциональные характеристики 
изделия, но и снизить трудоемкость его изготовления, сократить рас-
ход материалов (например, за счет уменьшения доли отходов).

5. Окончательные свойства, а также свойства на стадии технологи-
ческого передела изделия могут обеспечиваться термической обработ-
кой, операциями ОМД, резания, сварки или определенными видами 
комбинированных обработок (термомеханической, химико-терми-
ческой). Поэтому важную роль следует отвести подбору приемлемых 
технологических режимов обработки, учитывая, что возможность ре-
гулирования структуры позволяет управлять свойствами в нужном на-
правлении.
Выбор того или иного материала для конкретного изделия или кон-
струкции будет рациональным и экономически эффективным, если 
при минимальном легировании обеспечивается требуемый уровень 
конструктивной прочности, а удорожание материала в результате ле-
гирования и изменения технологии производства не будет превышать 
экономический эффект, достигаемый посредством следующих техни-
ко-экономических факторов:
— обеспечение необходимой надежности и долговечности (хладо-
стойкость, сопротивление усталости, износостойкость и т. п.);
— получение новых технологических и эксплуатационных свойств 
(например, коррозионной стойкости, жаропрочности, сварива-
емости и проч.);
— уменьшение массы;
— снижение расходов на изготовление, монтаж, транспортирова-
ние и эксплуатацию.
Подобные соображения оказываются вполне целесообразными при 
решении практической задачи, связанной с выбором подходящего ма-
териала и назначением обоснованной технологии.
При написании настоящего пособия авторы исходили из разумно-
го предположения, что читатель хотя бы в общих чертах имеет пред-
ставление о базовых положениях термической обработки металличе-

Введение

ских материалов. Тем не менее, было сочтено возможным в 1-й главе 
напомнить самые необходимые сведения о способах и технологиче-
ских приемах термической обработки как сталей, так и сплавов на ос-
нове цветных металлов.
Само учебное пособие построено таким образом, чтобы получение 
требуемой информации можно было осуществить двумя способами. 
В первом случае (это изложено во 2-й главе) пользователю предлага-
ется классическая и вполне привычная табличная система изложе-
ния первичных справочных данных — в достаточно компактной фор-
ме приводятся полезные сведения о том, какие именно металлические 
материалы и для какого рода изделий могут быть рекомендованы. Ох-
ватывается достаточно широкий круг сталей и сплавов различного на-
значения — от обычных углеродистых марок сталей до сложнолегиро-
ванных сплавов, включая и разнообразную группу сплавов на основе 
цветных металлов (Cu, Al, Mg, Ni, Ti).
В дальнейшем для получения более исчерпывающей информации 
о выбранном материале и технологическом способе его переработки 
(температуры критических точек, химический состав, рекомендуемые 
режимы термической обработки, физико-механические и технологи-
ческие свойства, вид поставки, возможные заменители и проч.) следу-
ет уже использовать специальную справочную литературу. Список та-
ких марочников приведен в заключительном разделе данного пособия.
Практическое исполнение этого методического подхода (описано 
в 3 и 4-й главах) подробно проиллюстрировано на конкретных при-
мерах, рассматривающих выбор потребных материалов и приемлемых 
технологических режимов их обработки применительно к конструкци-
онным и инструментальным сталям и сплавам. При этом авторы сочли 
возможным в этих главах в некоторых случаях дать достаточно развернутые 
сведения о рассматриваемых материалах (их назначение, технологические 
особенности обработки, служебные свойства и проч.).
Второй способ получения нужной информации основан на применении 
современных компьютерных технологий (представлено в 5-й 
главе). В частности, для этой цели рекомендуется оригинальный программный 
комплекс выбора марки сталей под названием СТАЛЬ, 
включающий автономный программный модуль и базу данных. Особенность 
программного комплекса состоит в том, что он содержит 
справочные данные о широком перечне металлических материалов, 
ограниченных, однако, набором только машиностроительных сталей.

Введение

В целом данное учебное пособие, по мнению авторов, дает возможность 
пользователю получить полезные навыки решения довольно распространенных 
материаловедческих задач. При этом достигается оно 
с использованием как традиционных приемов, основанных на анализе 
сведений из справочной литературы, так и путем применения более 
современных методов в форме компьютерных технологий, благодаря 
которым поиск нужного материала осуществляется по определенно-
му алгоритму, когда компьютер сам «ведет» пользователя к получе-
нию конечного результата.

Глава 1.  
Общие сведения о металлах и основные 
положения термической обработки

1.1. Классификация металлов
М

еталлические материалы принято разделять на две боль-
шие группы — черные и цветные металлы.
К черным металлам обычно принадлежат железо и его 
сплавы (сталь, чугун, ферросплавы). К этой группе часто условно от-
носят также такие металлы, как хром, марганец, которые в основном 
используются в качестве добавок к железу. Однако их правильнее вы-
делять в отдельную группу цветных металлов — легирующих металлов 
(легирующих элементов).
Цветные металлы — это промышленное название всех остальных 
металлов. В свою очередь цветные металлы разделяются на несколько 
групп (однако общепринятая классификация отсутствует). Так, в за-
висимости от плотности цветные металлы принято делить на легкие 
и тяжелые. К первой группе относятся такие, которые имеют плот-
ность меньше 5 г/см 3 (алюминий, магний, титан, бериллий, литий 
и др.), ко второй группе — те, у которых плотность выше указанной 
величины (медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк и др.). Самым 
легким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Наиболее тя-
желый металл в настоящее время определенно назвать невозможно, 
так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжелых металлов — 
почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности 
свинца). Однако вычислить их точную плотность крайне сложно: для 
этого нужно полностью очистить металлы, поскольку любые приме-
си снижают их плотность.

1.1.Классификацияметаллов

В зависимости от температуры плавления используется градация 
на легкоплавкие и тугоплавкие металлы. Температуры плавления метал-
лов лежат в диапазоне от –39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В каче-
стве пороговой принимается температура, равная 1000 °C (в некоторых 
справочных изданиях подобное разделение основывается на сравне-
нии с температурой плавления железа, т. е. 1539 °C). Соответствен-
но, если придерживаться первой градации, к числу легкоплавких ме-
таллов следует отнести ртуть, олово, кадмий, свинец, цинк, магний, 
висмут, таллий, сурьму, алюминий; тугоплавкими являются серебро, 
медь, золото, железо, никель, титан, молибден, хром, ниобий, тантал 
и, конечно же, вольфрам.
Кроме того, металлы принято делить на благородные металлы (зо-
лото, серебро, платина, палладий, радий, рутений, иридий и осмий) 
и редкие металлы (вольфрам, хром, ванадий, молибден, тантал, радий 
и подгруппа редкоземельных — церий, торий, скандий, иттрий и др.). 
Появление термина редкие металлы объясняется сравнительно позд-
ним освоением и использованием этих элементов, что связано с их ма-
лой распространенностью (или рассеянностью в земной коре), а так-
же трудностями извлечения из сырья для выделения в чистом виде.
Довольно любопытным следует признать существующее природ-
ное распределение элементов. Их количественная оценка в настоя-
щее время выполнена достаточно точно. В земной коре (литосфере) 
на глубине приблизительно 1 км содержатся следующие элементы (их 
содержание дано в массовых процентах):
Кислород ................................ 46,6
Кремний ................................. 27,7
Алюминий ................................ 8,0
Железо ...................................... 5,0
Магний ..................................... 2,1
Титан ........................................ 0,6
Медь ......................................... 0,01
Никель ...................................... 0,01
Олово ........................................ 0,004
Цинк ......................................... 0,004
Свинец ...................................... 0,0016
Серебро .................................... 0,00001
Золото ....................................... 0,0000005
Платина .................................... 0,00000005

Глава1.Общиесведенияометаллахиосновныеположениятермическойобработки

Цветные металлы и сплавы на их основе широко применяются 
в промышленности и быту благодаря целому комплексу механиче-
ских, физических и химических свойств.
Без легких сплавов невозможно было бы развитие современной ави-
ации. Удачное сочетание малого удельного веса с относительно высо-
кой прочностью предопределило их широкое применение не только 
в авиастроении, но и в других областях техники. Изделия и полуфа-
брикаты из алюминиевых и магниевых сплавов, полученные литьем 
и обработкой давлением, являются важнейшими конструкционными 
материалами в транспортном машиностроении, автотракторной про-
мышленности, судостроении, приборостроении и т. д. Легкие сплавы 
применяют в гражданском строительстве, для бытовых целей. Высо-
кая электропроводность и химическая стойкость чистого алюминия 
позволили широко использовать его в электротехнике и химическом 
аппаратостроении.
Материалы с высокой удельной прочностью (сплавы Ti) предна-
значены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. 
Некоторые сплавы на основе титана по своей удельной прочности 
(прочности на единицу веса) значительно превосходят алюминиевые 
и магниевые сплавы и стали.
Многими ценными качествами обладают такие цветные металлы, 
как медь, никель и др. Медь после серебра является лучшим прово-
дником тока, что обусловило ее широкое применение в электротехни-
ке. Медь служит также основой многих важных промышленных спла-
вов: латуней, бронз и др.
Никель является основным компонентом большинства электротех-
нических, жаростойких, жаропрочных и коррозионностойких спла-
вов. Весьма широко никель используют в гальванотехнике для за-
щитных покрытий. Он является важнейшим компонентом в лучших 
специальных сталях.
Тугоплавкие и благородные металлы (вольфрам, молибден, тантал, 
ниобий, золото, платина, серебро) и их сплавы являются важнейши-
ми конструкционными материалами новой техники.