Конструкционные материалы общего и специального назначения

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

В.И. Силаева, А.С. Помельникова, М.В. Унчикова 

Конструкционные материалы общего  
и специального назначения 

Методические указания к выполнению лабораторных работ  
по дисциплине «Материаловедение» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

УДК 669.018 
ББК 30.3 
 
С36 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1229.html 
Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Материаловедение» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний  
Рецензент 
д-р техн. наук, профессор В.С. Лясоцкая 
 
Силаева, В. И. 
С36   
Конструкционные материалы общего и специального 
назначения : методические указания к выполнению лабораторных 
работ по дисциплине «Материаловедение» / В. И. Силаева, 
А. С. Помельникова, М. В. Унчикова. — Москва : Издательство 
МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2015. — 31, [9] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4195-2 
Приведены сведения, необходимые для освоения метода микроструктурных 
исследований и выполнения сравнительного анализа 
структурно-фазового состояния и свойств основных групп конструкционных 
материалов. Особое внимание уделено изучению состава, 
принципов маркировки, структуры, термической обработки, 
свойств, области применения легированных сталей, а также медных, 
алюминиевых и титановых сплавов. При выполнении лабораторных 
работ студенты проводят микроструктурные исследования, позволяющие 
получить навыки самостоятельной экспериментальной работы, 
по химическому составу определяют марки сплавов, назначают 
режимы упрочняющей термической обработки. 
Для студентов машиностроительных специальностей, изучающих 
дисциплину «Материаловедение». 

 
  УДК 669.018 
 
  ББК 30.3  

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4195-2 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

ВВЕДЕНИЕ 

Конструкционными называют материалы, предназначенные 
для изготовления деталей приборов, машин и конструкций. Общим 
требованием к конструкционным материалам, применяемым 
в машиностроении, является сочетание высокой конструкционной 
прочности и технологичности. При выборе конструкционных материалов 
необходимо учитывать экономические факторы. Самыми 
дешевыми и наиболее распространенными металлическими конструкционными 
материалами являются углеродистые стали, однако 
они обладают невысокой прочностью и небольшой прокалива-
емостью (критический диаметр прокаливания не превышает 
12 мм). Высокие значения критической скорости при закалке и, 
как следствие, необходимость резкого охлаждения при закалке, 
приводящего к значительным остаточным напряжениям, позволяют 
использовать углеродистые стали для изготовления деталей 
небольшого сечения и несложной формы. 
К преимуществам легированных сталей относят более высокие 
значения конструкционной прочности и прокаливаемости. Многие 
легированные стали обладают такими специальными свойствами, 
как жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость и т. д. 
Увеличение стоимости деталей при применении легированных 
сталей или цветных металлов и сплавов должно быть обосновано 
необходимостью обеспечения свойств, присущих только этим материалам. 
Например, в легированных сталях аустенитного класса 
сочетаются высокая коррозионная стойкость, жаростойкость и жаропрочность, 
в алюминиевых сплавах — высокая удельная прочность 
и хорошие технологические свойства. Достоинства медных 
сплавов определяются высокой коррозионной стойкостью, хорошими 
антифрикционными и технологическими свойствами. Титановые 
сплавы обладают высокой удельной прочностью, малой 
плотностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хорошими 
технологическими свойствами.  

Цель лабораторных работ — изучение структуры и свойств 
легированных сталей, сплавов на основе меди, алюминия и титана. 
После выполнения лабораторных работ студенты смогут: 
• самостоятельно проводить микроструктурные исследования; 
• анализировать с помощью диаграмм состояния влияние химического 
и фазового состава на механические и технологические 
свойства материалов; 
• выбирать технологические режимы процессов термической и 
химико-термичеcкой обработки для достижения необходимых 
свойств материалов. 

Лабораторная работа № 1 

ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ 

1.1. Краткая характеристика  
легированных конструкционных сталей 

Легированными называют стали, которые помимо железа, углерода 
и постоянных примесей содержат элементы (легирующие), 
обеспечивающие те или иные специальные свойства. В качестве 
таких элементов наиболее часто применяют Cr (Х), Ni (Н), Mn (Г), 
Si (С), W (В), V (Ф), Mo (М), Ti (Т). В скобках приведено буквенное 
обозначение элементов в марках стали. 
Конструкционные стали маркируют двузначным числом, показывающим 
среднее содержание углерода в сотых долях процента, 
затем следуют буквы, соответствующие обозначению легирующих 
элементов, и цифры, показывающие их количество в процентах. 
Если содержание элемента не превышает 1,5 %, то его количество 
не указывают. Например, сталь 18Х2Н4ВА содержит в среднем 
0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, менее 1 % W. Буква А означает, что сталь 
высококачественная, c низким содержанием вредных примесей 
S ≤ 0,025 %, Р ≤ 0,025 %. Если S ≤ 0,04 %, Р ≤ 0,035 %, то сталь качественная 
и буква А в марке отсутствует (например, 18ХГТ). 
Кроме качественных и высококачественных, легированные стали 
бывают особовысококачественными (S ≤ 0,015 %, Р ≤ 0,025 %), 
выплавляемыми с применением электрошлакового переплава, на 
что указывает буква Ш в конце марки (например, 30ХГС-Ш). 
При введении в сталь легирующих элементов изменяются ее 
структура и свойства. Изменяя температуру полиморфного превращения 
железа, легирующие элементы влияют на температуру 
фазовых равновесных и неравновесных превращений сплавов системы 
Fe–Fe3C.  

По влиянию на температуру равновесных фазовых превращений 
легирующие элементы можно подразделить на две группы — 
аустенитообразующие и ферритообразующие.  
Аустенитообразующие элементы (Ni, Mn, C, N) расширяют 
область аустенита на диаграмме состояния, повышая температуру 
А4 и понижая А3 (рис. 1.1, а). Если концентрация легирующего 
элемента больше значения х (см. рис. 1.1, а), то аустенитная структура 
устойчива при комнатной температуре, такие стали называют 
аустенитными.  

 

Рис. 1.1. Схема влияния аустенитообразующих (а)  
и ферритообразующих (б) легирующих элементов 
на полиморфизм железа 
 
Ферритообразующие элементы (Cr, Mo, W, V, Si и др.) увеличивают 
температурный интервал устойчивости феррита, понижая 
температуру А4 и повышая А3 (рис. 1.1, б). Стали с концентрацией 
легирующего элемента, превышающей значение у (см. рис. 1.1, б), 
имеют устойчивую ферритную структуру вплоть до линии солидуса, 
и их называют ферритными.  
Таким образом, по равновесной (отожженной) структуре легированные 
конструкционные стали подразделяют на доэвтекто-

идные феррито-перлитные, аустенитные и ферритные. Углеродистые 
конструкционные стали могут иметь только феррито-перлитную 
структуру. 
Легирующие элементы повышают прочность сталей при их использовании 
в термически упрочненном состоянии — после закалки 
и отпуска. В связи с этим обеспечение необходимой прока-
ливаемости, которая определяется глубиной закаленного слоя, — 
важнейшая задача легирования. Все легирующие элементы, кроме 
кобальта, снижают критическую скорость закалки и, следовательно, 
увеличивают прокаливаемость.  
По структуре после охлаждения на воздухе от температуры 
900 °С (нормализация) стали подразделяют на следующие классы: 
перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный. 
Углеродистые и низколегированные стали (суммарное содержание 
легирующих элементов не превышает 5 %) относятся к перлитному 
классу. Эти стали имеют невысокую устойчивость аустенита 
к эвтектоидному превращению и при охлаждении на воздухе 
приобретают структуру перлитного типа (рис. 1.2, а).  

 

Рис. 1.2. Положение температур начала Мн и конца А1 мартенситного 
превращения для сталей перлитного (а), мартенситного (
б) и аустенитного (в) классов ( — время)  
 
В средне- и высоколегированных сталях (суммарное содержание 
легирующих элементов соответственно 5…10 % и более 10 %) 
уменьшение критической скорости может быть настолько существенным, 
что получение мартенсита возможно при охлаждении 

стали на воздухе. Стали, которые можно закаливать на воздухе, 
называют мартенситными (рис. 1.2, б).  
Структурные классы аустенитных и ферритных сталей совпадают 
по классификации как в отожженном, так и нормализованном 
состояниях (рис. 1.2, в). 
В зависимости от типичной упрочняющей обработки конструкционные 
стали подразделяют на улучшаемые, цементуемые и т. д.  
Улучшаемые стали содержат 0,3…0,5 % С. В результате термической 
обработки, носящей название «улучшение» (закалка + 
высокий отпуск), стали приобретают структуру сорбита отпуска 
(ферритно-карбидная смесь с частицами карбидов зернистой формы). 
Такая структура обеспечивает хорошее сочетание прочностных 
характеристик, пластичности и ударной вязкости, а также малую 
чувствительность к концентраторам напряжений. 
Легирующие элементы, растворяясь в феррите (основной структурной 
составляющей), повышают его прочность, однако большинство 
из них снижает ударную вязкость стали, особенно если их концентрация 
выше 1 % (рис. 1.3). Исключение составляет никель. 
Марганец и хром при содержании до 1 % повышают ударную вязкость; 
при большей концентрации она снижается. В связи с этим в 

 

Рис. 1.3. Влияние легирующих элементов на твердость (а) и ударную 
вязкость (б) феррита 

машиностроении широко применяют комплексно легированные 
конструкционные стали с концентрацией каждого элемента 1…2 %. 
С повышением содержания легирующих элементов, особенно 
при комплексном легировании, повышается прокаливаемость деталей 
из этих сталей. В составе комплексно легированных сталей почти 
всегда присутствует хром. Для повышения пластичности и 
ударной вязкости в стали вводят 1…5 % Ni. Такие элементы, как 
молибден и вольфрам, устраняют склонность к обратимой отпускной 
хрупкости, к которой склонны хромистые, хромоникелевые и 
некоторые другие стали. Присутствие молибдена, вольфрама и ванадия, 
кроме того, способствует сохранению при нагреве мелкого 
зерна. Тугоплавкие элементы повышают устойчивость мартенсита 
при отпуске вследствие замедления диффузионных процессов. Распад 
легированного мартенсита происходит при более высоких температурах 
отпуска, обеспечивая такое свойство, как теплостойкость.  
Улучшаемые стали предназначены для изготовления валов, 
шатунов и других ответственных деталей, работающих в условиях 
ударных или циклических нагрузок.  
Цементуемые стали содержат до 0,3 % С. После цементации, 
последующей закалки и низкого отпуска стали имеют твердую поверхность (
HRC ≥ 60) и более мягкую и вязкую сердцевину. Такая 
структура требуется деталям, работающим в условиях износа и 
знакопеременных нагрузок (шестерни, оси, валики, втулки и т. п.).  
Многие легированные стали входят в группу машиностроительных 
материалов с особыми физико-химическими свойствами и 
обладают коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью 
и т. д. К таким материалам относятся, в том числе, хромоникелевые 
стали аустенитного класса, содержащие 18 % Cr и 
9…10 % Ni (12Х18Н9 и др.). 
При содержании в твердом растворе на базе железа более 
12 % Сr сталь обладает высокой стойкостью против коррозии во 
влажной атмосфере, в растворах кислот и солей. Кроме высокой 
коррозионной стойкости преимуществами аустенитных сталей являются 
высокая пластичность и вязкость, хорошая свариваемость. 
Максимальные значения коррозионной стойкости, жаростойкости, 
пластичности и вязкости стали имеют в закаленном состоянии, когда 
весь хром находится в твердом растворе. Однако при нагреве 
закаленной стали (например, при сварке) в диапазоне температур 

400…800 °С по границам зерен аустенита выделяется избыток углерода 
в виде карбидов хрома Cr23C6. В случае образования карбидной 
сетки границы зерен становятся анодами и в агрессивной 
среде происходит межкристаллитная коррозия (МКК). Одним из 
способов предотвращения МКК является легирование стали сильным 
карбидообразующим элементом (титаном, ниобием) в количестве, 
не превышающем 0,25 %, связывающим весь углерод в 
карбид, при этом весь хром остается в твердом растворе. Такие 
стали (12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б) называют стабилизированными. 
Хром является основным элементом, повышающим не только 
коррозионную стойкость, но и жаростойкость сталей. Чем больше 
содержание хрома, тем выше рабочая температура. Дополнительное 
легирование сталей кремнием (до 2…3 %) и алюминием (до 
1…2 %) способствует увеличению жаростойкости, поэтому в некоторые 
стали аустенитного класса (20Х25Н20С2, 36Х18Н25С2) 
вводят кремний, который улучшает защитные свойства поверхностных 
оксидов. 

1.2. Описание лабораторного оборудования 

Для исследования микроструктуры легированных сталей используют 
компактный инвертируемый микроскоп GX-41 (рис. 1.4). 
Он позволяет изучать образцы в светлом поле и простом поляризованном 
свете. 
Ниже приведены основные 
технические 
характеристики 
микроскопа GX-41: 

Увеличение ...............  50…1 000 
Мощность источника  
света (лампы накали- 
вания), Вт ..................  
30  
Диапазон перемеще- 
ния предметного сто- 
лика по осям Х, Y, мм  
120, 78 
Максимальная на- 
грузка на предмет- 
ный столик, г ............  
До 400  
Габаритные разме- 
ры, мм ........................  29055778 
Масса, кг ...................  
10  

 

Рис. 1.4. Общий вид металлографического 
микроскопа GX-41