Комплект домашних заданий по курсу «Материаловедение»

Д.В. Власова, И.Ю. Сапронов, О.М. Ховова 

Комплект домашних заданий  
по курсу «Материаловедение»

Учебное пособие

УДК 621.785(075.8)
ББК 34.651
 
В58

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1709.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение»

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

Власова, Д. В.
В58  
Комплект домашних заданий по курсу «Материаловедение» : 
учебное пособие / Д. В. Власова, И. Ю. Сапронов,  
О. М. Ховова. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2017. — 42, [2] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4754-1
Представлен комплект из 18 домашних заданий по общему курсу 
«Материаловедение». На примере подробно рассмотрены содержание 
и последовательность основных этапов выполнения домашнего задания 
с использованием специальной справочной литературы — марочников 
сталей и сплавов. Приведены требования к оформлению отчета по выполненному 
заданию и указан порядок его защиты. 
Для студентов 2- и 3-го курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся 
по машиностроительным специальностям инженерного направления 
подготовки.
УДК 621.785(075.8)
ББК 34.651

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4754-1 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие

В учебном пособии представлены комплект домашних заданий 
по общему курсу «Материаловедение» и пример выполнения 
домашнего задания. Пособие предназначено для студентов машиностроительных 
специальностей инженерного направления подготовки 
МГТУ им. Н.Э. Баумана. В прежних изданиях кафедра публиковала 
только методические указания к выполнению домашнего 
задания, а сами задания разрабатывались разными авторами как 
отдельные комплекты. Отсутствие единого методического подхода 
затрудняло работу студентов при выполнении домашнего задания.
Домашнее задание предлагает студенту сделать обоснованный 
выбор марки стали для изготовления конкретного изделия и рекомендовать 
для нее упрочняющую термическую обработку. В данном 
учебном пособии комплект домашних заданий представлен в 
новой версии: в каждом задании впервые приводится эскиз детали (
при подборе объектов авторы использовали известные атласы 
деталей машин [1, 2]). Кроме того, применительно к каждому изделию 
предусмотрено пять вариантов задания, различающихся исходными 
данными по размерным параметрам детали, по уровню 
требований к структуре или к механическим свойствам материала. 
Такой методический прием расширяет диапазон возможных инженерных 
решений, предполагает развитие у студентов аналитического 
подхода к выбору материала или режима его упрочняющей обработки [
3–5]. В общей сложности комплект включает 18 заданий, 
что с учетом вариантов (всего 90 заданий) позволяет его использовать 
и для студентов одной группы, и в потоке из трех-пяти групп. 
В пособии подробно изложены требования к оформлению и 
защите выполненного домашнего задания, приведен список литературы.

Для удобства студентов и преподавателей каждое задание комплекта 
имеет условную буквенно-цифровую индексацию (МД-1, 
МД-2 и т. д.), что соответствует общекафедральной картотеке.

Наряду с комплектом заданий в учебном пособии приведен пример 
выполнения домашнего задания с подробными методическими 
рекомендациями, в первую очередь касающимися работы студентов 
с особым видом справочной технической литературы — с марочниками 
сталей и сплавов [6–8]. Такой подход имеет принципиальное 
значение. Выполняя домашнее задание, студенты знакомятся с 
информацией о материалах, представленной в марочниках, приобретают 
необходимые навыки работы с таким видом литературы и 
применяют эти навыки на практике. Приобретение таких навыков 
на профессиональном уровне является главной целью выполнения 
домашнего задания.

Список обозначений

HB — твердость по шкале Бринелля
HRC — твердость по шкале Роквелла
HV — твердость по шкале Виккерса
KCU — ударная вязкость, Дж/см2
Δh — глубина упрочненного слоя, мм
σ0,2 — условный предел текучести, МПа

Введение

В Программе общего курса «Материаловедение», изучаемого 
студентами МГТУ им. Н.Э. Баумана всех машиностроительных 
и приборостроительных специальностей инженерного профиля, 
предусмотрено выполнение домашнего задания. Домашнее задание 
представляет собой несложную типичную инженерную задачу, связанную 
с выбором марки материала для изготовления предлагаемого 
изделия и разработкой принципиальной технологии его упрочняющей 
термической обработки. 
В условиях реального промышленного производства принят 
следующий порядок решения подобной задачи. Вначале инженер-
конструктор изделия проводит обоснованный выбор материала 
и назначает наиболее подходящую марку материала, а затем 
уже инженер-технолог разрабатывает для этого материала режимы 
упрочняющей термической обработки. Такой подход позволяет в 
комплексе обеспечить и возможность изготовления изделия по самой 
рациональной технологии, и возможность получения изделий с 
требуемыми эксплуатационными свойствами. В учебном домашнем 
задании предусмотрено условное объединение этих функций конструктора 
и технолога: решается комплексная задача по выбору материала 
и технологии его упрочнения для распространенных видов 
деталей машин или инструмента.
Главная цель такого домашнего задания — ознакомить студентов 
с особым видом справочной технической литературы — 
с марочниками сталей и сплавов [6–8] с тем, чтобы они смогли приобрести 
практические навыки работы с марочниками и применить 
полученные навыки при решении типичной инженерной задачи. 
Умение работать с марочниками — обязательный элемент инженерной 
подготовки, поскольку в инженерной практике именно эти 
издания используются для решения различных задач.
В каждом домашнем задании студенту предстоит обосновать и 
выбрать марку стали для конкретного изделия, эскиз которого приводится, 
с учетом его геометрии и требуемых характеристик. Кроме 
того, для выбранной стали необходимо обосновать и рекомендовать 
упрочняющую термическую (или химико-термическую) обработку, 
которая будет гарантировать работоспособность детали в условиях 
эксплуатации. 

В качестве предлагаемых изделий для домашних заданий отобраны 
типичные детали машино- и приборостроения, поэтому принципиально 
важно, что на многих факультетах МГТУ им. Н.Э. Баумана 
дисциплины «Материаловедение» и «Детали машин» изучаются 
параллельно.
При выполнении домашнего задания студент обязательно должен 
продемонстрировать определенный уровень общей инженерной 
эрудиции, уже полученный при изучении, наряду с дисциплиной «
Материаловедение», таких базовых инженерных дисциплин, 
как «Сопротивление материалов» и «Детали машин». Вначале необходимо 
представить и проанализировать условия работы изделия, 
определить характер нагружения отдельных его зон и выявить 
среди них наиболее проблемные, определяющие работоспособность 
изделия в целом. Кроме того, студенту важно владеть основными 
представлениями о взаимосвязи между структурой и свойствами 
сталей. Исходя из условий работы изделия и ориентируясь 
на материалы лекций по курсу «Материаловедение» или учебника [
3], можно определить то структурное состояние стали, которое 
обеспечит нужный уровень свойств и работоспособность изделия в 
предлагаемых условиях эксплуатации. Соответственно по требуемому 
структурному состоянию стали можно установить типичный 
класс сталей и возможные пути реализации в изделии требуемых 
свойств. 
Ориентируясь на выбранный класс сталей, студент уже может 
провести поиск наиболее оптимальной марки стали, в полной мере 
удовлетворяющей всем исходным данным задания, и рекомендовать 
для нее принципиальный режим упрочняющей термической 
обработки. Именно эта основная часть задания и должна выполняться 
с использованием марочников сталей и сплавов.
Марочники сталей и сплавов подготовлены разными авторскими 
коллективами [6–8], но в главном они имеют одинаковую концепцию. 
В марочниках размещена самая необходимая информация о нескольких 
сотнях марок сталей и сплавов, наиболее широко применяемых 
в машино- и приборостроении. Важно, что все представленные 
в марочниках сведения о материалах четко структурированы и систематизированы, 
поэтому пользоваться ими очень удобно. Конкретную 
марку стали или сплава найти по оглавлению очень легко, поскольку 
расположение материалов в пределах каждого раздела представлено 
в единой логике по мере усложнения их химического состава.

Все материалы в марочниках сгруппированы по наиболее типичному 
их применению, причем принцип изложения информации — 
единый. По каждому материалу приведен марочный химический 
состав (включая содержание примесных элементов, что 
очень важно для оценки качества стали и ее цены), представлен 
основной выпускаемый промышленностью сортамент по ГОСТу 
или ТУ, приведены температуры фазовых превращений, комплекс 
свойств после различных вариантов обработки. Здесь же представлены 
свойства материала для разных условий испытания (для 
повышенных и пониженных температур эксплуатации, для циклического 
или ударного нагружения), основные технологические характеристики, 
включая прокаливаемость сталей и их склонность к 
отпускной хрупкости. В марочниках также даются рекомендации 
наиболее типичного применения каждой стали и возможные ее 
аналоги-заменители, что помогает пользователю точно сориентироваться 
при выборе материала для заданной детали. При выборе 
стали вполне может быть учтен и такой важный аспект задания, как 
характер производства детали (массовое, крупносерийное или единичное), 
который прямо связан с ценой применяемого материала. 
Важный ориентир при таком выборе — это подбор стали с менее 
дефицитными легирующими элементами, а также с соответствующим 
качеством ее выплавки. Таким образом, марочники содержат 
все основные сведения о конструкционных и инструментальных 
материалах, которые необходимы для решения большинства инженерных 
задач, а значит, и для выполнения предлагаемого домашнего 
задания. Работа с марочниками подробно разобрана в разделе 
«Пример выполнения домашнего задания».
Таким образом, выполнение домашнего задания, связанного с 
решением типичной инженерной задачи, должно способствовать 
формированию у студента инженерного мышления, развивать 
аналитический подход и умение применять в комплексе знания, 
полученные при изучении смежных базовых инженерных дисциплин.

1. Домашние задания

Задание МД-1. Пользуясь марочником сталей и сплавов, выбрать 
марку стали для изготовления зубчатого колеса редуктора ручной 
строительной лебедки (рис. 1.1). Производство лебедок серийное.

Рис. 1.1. Зубчатое колесо редуктора ручной строительной 
лебедки:
а — общий вид зубчатого зацепления; б — эскиз зубчатого колеса

При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту 
домашнего задания (табл. 1.1): основные размеры зубчатого 
колеса, твердость поверхности зубьев HRC, глубина упрочненного 
слоя Δh, твердость сердцевины НВ в указанных пределах.
Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую 
обработку зубчатого колеса, которая обеспечит его работоспособность 
в предлагаемых условиях.
Таблица 1.1
Исходные данные

Вариант
D, мм
d, мм
s, мм
Δh, мм
HRC
HB
а
350
52
35
1,0–1,2
59–63
160–175
б
250
40
28
0,8–1,0
56–60
150–155
в
270
45
30
0,7–0,8
58–61
148–160
г 
450
75
50
1,2–1,4
59–60
270–290
д
700
130
85
1,6–1,8
58–62
280–300

Задание МД-2. Пользуясь марочником сталей и сплавов, выбрать 
марку стали для изготовления шлицевого вала привода рулевого 
управления автомобиля (рис. 1.2). Производство автомобилей 
крупносерийное.

Рис. 1.2. Шлицевой вал привода рулевого управления автомобиля:
а — общий вид шлицевого соединения; б — эскиз шлицевого вала

При выборе стали использовать данные согласно выданному 
варианту домашнего задания (табл. 1.2): основные размеры шлицевого 
вала, твердость шлицевой поверхности HRC в указанных пределах, 
предел текучести сердцевины σ0,2 (не менее).
Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую 
обработку шлицевого вала, которая обеспечит его работоспособность 
в предлагаемых условиях.

Таблица 1.2
Исходные данные

Вариант
D, мм
L, мм
HRC
σ0,2, МПа
а
40
450
50–52
800
б
37
310
50–54
950
в
55
800
50–56
920
г
28
320
55–57
750
д
40
350
50–53
850