Материаловедение. Применение и выбор материалов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 

Ю. П. Солнцев 
Е. И. Борзенко 
С. А. Вологжанина 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.  
Применение и выбор  
материалов 

Реêомендовано Учебно-методичесêим объединением  
по университетсêому политехничесêому образованию  
в êачестве учебноãо пособия  
для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подãотовêи 140400 –  
"Техничесêая физиêа" 

САНКТ-
ПЕТЕРБУРГ 
ХИМИЗДАТ • 2024 

УДК 620.22 
С 601 

Р е ц е н з е н т ы :
1. Кафедра "Материаловедение и технолоãия материалов" Санêт-Пе-
тербурãсêоãо ãосударственноãо Морсêоãо техничесêоãо университета (
зав. êафедрой êанд. техн. науê, доц. В. Г. Белецêий)

2. Диреêтор научно-исследовательсêоãо центра "ОМЗ-Ижора" доêт.
техн. науê Т. И. Титова

Солнцев Ю. П., Борзенêо Е. И., Волоãжанина С. А. 

С 601 
      Материаловедение. Применение и выбор материалов: 
Учебное пособие., 4-е изд, стереотип. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 
2024. − 200 с.: ил. ISBN 978-5-9388-472-8

Учебное пособие соответствует содержанию федеральной 
дисциплины "Материаловедение" ãосударственных образовательных 
стандартов направления 140400 "Техничесêая фи-
зиêа". 
Рассмотрены общие принципы выбора материалов, влияние 
различных фаêторов на работоспособность материалов в 
êонструêциях, вопросы теории разрушения и примеры праêти-
чесêоãо использования параметров вязêости разрушения, свойства 
и применение современных êонструêционных материалов, 
а таêже примеры выбора материалов.  
Предназначено для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 140400 "Техничесêая физиêа" 
по дисциплинам "Материаловедение" и "Материаловедение и 
технолоãия êонструêционных материалов". Может быть использовано 
для подãотовêи баêалавров, дипломированных специалистов, 
маãистрантов и аспирантов механичесêих, техноло-
ãичесêих, эêономичесêих и друãих специальностей. 

С 2703000000–015 

050(01)–24 
Без объявл. 

 Солнцев Ю. П., Борзенêо Е. И.,

 ISBN 978-5-9388-472-8

Волоãжанина С. А., 2007 
 ХИМИЗДАТ, 2007, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Г л а в а  1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
5

1.1. Техничесêие условия и стандарты
10
1.2. Долãовечность êонструêций и виды отêазов
11

Г л а в а  2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
18

2.1. Физиêо-химичесêие свойства
18
2.2. Механичесêие свойства
18
2.3. Выбор материалов с особыми механичесêими  
и физичесêими свойствами 
22

2.4. Технолоãичесêие свойства
23

Г л а в а  3. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ 
28

3.1. Оценêа êонструêционной прочности методами  
механиêи разрушения 
28

3.2. Специальные методы испытаний
35
3.3. Неразрушающие методы êонтроля êачества  
материала 
40

Г л а в а  4. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ 
57

4.1. Сплавы на основе железа
57
4.2. Алюминий, маãний и цинê
61
4.3. Титан
65
4.4. Туãоплавêие металлы
66
4.5. Суперсплавы
67
4.6. Бериллий и медь
69
4.7. Керамичесêие материалы
70
4.8. Композиционные материалы
72

Г л а в а  5. ПРИМЕРЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
75

5.1. Особенности выбора êонструêционных материалов 
для работы при низêих температурах 
75

5.2. Литые стали для ãорнодобывающей техниêи,  
работающей в условиях Севера и Сибири 
80

5.3. Метастабильная аустенитная сталь для топливных 
баêов техниêи, работающей на сжиженных ãазах 
90

5.4. Литейные стали для êриоãенной  
запорно-реãулирующей арматуры 
96

5.5. Высоêопрочные мартенситно-стареющие стали  
для авиаêосмичесêой техниêи 
98

5.6. Стали для сверхпроводящих маãнитов установоê 
термоядерноãо синтеза 
100

5.7. Особенности требований ê материалам оборудования 
пищевых производств 
102

 
5.8. Литая сталь для режущеãо инструмента  
мясоизмельчительных êомплеêсов 
109

ПРИЛОЖЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ 
СПЛАВОВ 
114

Приложение I. 
СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 
114
 
Сталь Ст3 
114
 
Сталь 09Г2С 
117
 
Сталь 20Х 
120
 
Сталь 20ХН 
122
 
Сталь 40Х 
123
 
Сталь 40ХН 
127
 
Сталь 10ХСНД 
130
 
Сталь 12ХГФЛ 
131
 
Сталь 35ХМЛ 
133
 
Сталь 12Х2Н4А 
135
 
Сталь 38ХН3МФА 
137
 
Сталь 30Х13 
138
 
Сталь 0Н9 
140
 
Сталь 08Х18Н10 
143
 
Сталь 12Х18Н9 
145
 
Сталь 12Х18Н10Т 
146
 
Сталь 03Х20Н16АГ6 
154
 
Сталь 04Х21Н16АГ8М2Ф 
158
 
Сталь 06Х15Н9Г8АФ 
159

Приложение II. 
СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ:  
МЕДИ, АЛЮМИНИЯ, ТИТАНА 
162

 
Латунь ЛЦ16К4 (старое название ЛК80-3Л) 
162
 
Бронза БрБ2 
164
 
Сплавы АМц (1400) и АМцС (1401) 
167
 
Сплавы системы алюминий – маãний (маãналии)
172
 
Сплавы типа дуралюминов Д1, Д1ч, Д16, Д16ч 
182
 
Техничесêий титан ВТ1-0 
187
 
Сплав ВТ5 со струêтурой α-фазы 
191
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Г л а в а  1 

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ 
 
 
 
"У природы нет плохой поãоды..." Перефразируя слова известной 
песни, можно сêазать, что плохих материалов не бывает, 
а бывают плохие инженеры, применяющие не те материалы, êо-
торые следовало бы использовать в данных êонêретных условиях 
эêсплуатации. Следствием неправильноãо выбора материалов является 
плохое êачество êонструêций, машин и оборудования. Не-
редêо эти условия являются очень специфичными: низêие или 
высоêие температуры, аãрессивные химичесêие среды, знаêопе-
ременные циêличесêие наãружения, особые условия трения и др. 
Часто материалы работают в условиях одновременноãо воздействия 
перечисленных выше фаêторов. Поэтому при выборе материала, 
в первую очередь, требуется всестороннее рассмотрение 
условий еãо работы и проведение ранжирования фаêторов, воздействующих 
на материал по степени их влияния на надежность 
машины или механизма. Определяющие фаêторы должны быть 
учтены обязательно, менее определяющие – по возможности. Таê, 
например, при выборе сталей и сплавов для ãазовых турбинных 
двиãателей и сопел раêет, работающих в условиях воздействия 
аêтивных ãазовых сред, следует рассматривать влияние на свойства 
материалов высоêих температур, êоррозионноãо растресêи-
вания, питтинãовой и щелевой êоррозии, êоррозии под напряжением, 
водородноãо охрупчивания, эрозии и общей êоррозии. 
Однаêо необходимо обязательно учитывать влияние тольêо первых 
шести фаêторов, а общую êоррозию, êаê менее важный фаê-
тор, можно учитывать по возможности. 
Следующим этапом выбора материала должен быть процесс 
определения êомплеêса необходимых свойств материала, обеспечивающих 
надежную и долãовечную работу êонструêций, машин 
и оборудования в заданных условиях эêсплуатации. Таê êаê êон-
струêционные материалы хараêтеризуются механичесêими, фи-
зиêо-химичесêими и технолоãичесêими свойствами, то рассматривать 
необходимо всю ãамму свойств, особенно если в êонструê-
ции должны работать разные материалы. 
К сожалению, часто êомплеêс требуемых свойств материала, 
оформленных в виде техничесêих требований или техничесêих 
условий ê материалу, составляется не на основе точноãо анализа и 
моделирования условий работы, а на приблизительных êачест-
венных данных или на опыте предыдущей эêсплуатации анало-

ãичноãо или схожеãо изделия или êонструêции. Однаêо более 
правильным является формирование техничесêих требований ê 
материалу на основании моделирования условий работы изделия 
в реальных условиях эêсплуатации с использованием специальных 
стендов, на êоторых с помощью тензометрирования можно 
определять уровень лоêальных пиêовых напряжений в изделии. 
В том случае, êоãда не имеется возможности использовать 
стенд для измерения рабочеãо напряжения, возниêающеãо в изделии 
при еãо эêсплуатации, следует использовать расчетные 
методы. 
На рис. 1.1 представлена взаимосвязь между свойствами материала, 
ãеометрией проеêтируемоãо изделия и производственными 
возможностями êонêретноãо предприятия. 
Рис. 1.2 представляет более детальную блоê-схему, используемую 
при выборе материалов, например, в аэроêосмичесêой 
сфере, ãде разработчиê, в первую очередь, руêоводствуется ха-
раêтером применения и êонфиãурацией (формой) êонструêции 
или сборêи.  
Затем определяются внешние напряжения, действующие на 
êонструêцию в процессе транспортировêи, хранения и службы. 
Наêонец, разрабатывается всесторонняя материальная база данных, 
вêлючающая механичесêие и антиêоррозионные свойства, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1.1. Взаимосвязь междó свойствами материала, ãеометрией проеêта и ха-
раêтеристиêами производства. Общая стоимость, масса и использование деталей 
в êонстрóêциях определяются этими тремя проеêтными фаêторами 

Рис. 1.2. Блоê-схема процесса выбора материала 
 
необходимые для оптимальноãо сроêа службы транспортноãо 
средства при ожидаемых эêсплуатационных режимах. Эти свойства 
вêлючают: 
• Временное сопротивление разрыву (предел прочности при 
растяжении). 
• Условный предел теêучести. 
• Ударную вязêость. 
• Твердость. 
• Вязêость разрушения (трещиностойêость). 

• Коррозионную стойêость и износостойêость. 
• Плотность (этот фаêтор очень важен для воздушных, наземных 
и морсêих транспортных средств). 
Каê тольêо эти начальные параметры определены и данные 
собраны, разработчиê составляет списоê наиболее приãодных материалов, 
из êоторых выбирается наилучший материал для использования 
в êонêретной êонструêции. Этот списоê должен 
вêлючать используемые способы производства и методы ãарантии 
êачества, осуществляемые при изãотовлении êаждоãо рассматри-
ваемоãо материала, таê êаê это оêазывает существенное влияние 
на еãо свойства и стоимость êонечноãо изделия. Например, в случае 
стальных êонструêций технолоãичесêий процесс может вêлю-
чать различные типы термомеханичесêой обработêи, чтобы обеспечить 
струêтурные требования для существенноãо увеличения 
прочности. В êачестве примера можно привести два êонêретных 
случая, требующих обеспечения очень высоêой прочности, – ãлав-
ные механизмы шасси самолета и лопасти винта ãлавноãо ротора 
вертолета. 
Разработчиê определяет наиболее подходящий материал для 
данноãо применения, основываясь таêже на стоимости рассматриваемых 
материалов. 
Использование при выборе материалов, ранее хорошо заре-
êомендовавших себя в подобных êонструêциях и изделиях из 
аналоãичных материалов, вполне оправдано, но может привести, 
с одной стороны, ê отêазу от совершенствования êонструê-
ций и изделий, а с друãой – ê повторению уже сделанных оши-
боê. 
Конструêтор должен ясно представлять себе причины использования 
данноãо материала, возможности еãо замены, технолоãи-
чесêие особенности производства изделий из выбранноãо материала 
и методы êонтроля ãотовых изделий. 
Однаêо для целоãо ряда изделий новой техниêи, особенно 
специальноãо назначения, необходимо не выбирать материалы 
из существующих разработоê, а разрабатывать принципиально 
новые материалы с более высоêим êомплеêсом свойств, ранее 
недостижимым у серийных материалов. В этом случае должен 
использоваться принципиально новый методолоãичесêий подход 
ê определению материалов для таêой техниêи. Этот подход объединяется 
в систему исследований, испытаний, разработоê термином "
инжиниринã материалов" (рис. 1.3). Особенностью этоãо 
метода является совоêупность материаловедчесêих, технолоãи-
чесêих и производственных аспеêтов, праêтичесêая реализация 
êоторых ãарантирует обеспечение требуемоãо уровня служебных 
свойств материала и еãо надежность.  

Рис. 1.3. Схема разработêи новых материалов по системе "инжиниринã материалов" 
 

Для установления сложных взаимосвязей: 

Химичесêий состав → Технолоãия → Струêтура → Свойства → 

→ Надежность 
обязательно используются лабораторные исследования с применением 
моделирования условий эêсплуатации изделия, а оптимизация 
мноãофаêторных технолоãий проводится с учетом производственных 
возможностей и особенностей потенциальных изãо-
товителей изделия. Праêтичесêая эффеêтивность работы по этой 
схеме реализуется блаãодаря учету и маêсимальному использованию 
всех фаêторов, что позволяет получить надежные изделия с 
ãарантированным и стабильным уровнем служебных свойств при 
минимальных производственных затратах. 
Разработчиê имеет две эêономичесêие альтернативы в процессе 
выбора материалов: материал, êоторый имеет наименьшую 
стоимость из всех подходящих для решения данной задачи, или 
материал, чья стоимость выше, но êоторый является более простым 
в производстве и обработêе (и, таêим образом, дешевым). 
Например, использование наêлепанных стальных листов – пример, 
êоãда более дороãой материал обеспечивает пользователя 
наименее дороãим êонечным продуêтом. Это снижение стоимости 
следует из изменения требований ê обработêе материалов, а 
именно – устранения необходимости термообработêи. 
Десять вопросов, задаваемых при выборе материала и приведенных 
ниже, моãут использоваться проеêтировщиêом, чтобы 
определить наиболее эффеêтивный материал для êонêретноãо 
применения. При таêом анализе êаждый вопрос задается по от-

ношению ê определенным материалам и процессам. Списоê рассматриваемых 
материалов должен быть расширен, если ответ на 
хотя бы один из десяти вопросов неясен. 
1.  Есть ли необходимость в использовании данноãо материала? 
2.  Превосходят ли хараêтеристиêи данноãо материала требуемые? 

3.  Является ли использование данноãо материала эêономичесêи 
выãодным? 
4.  Имеется ли друãой материал, превосходящий данный? 
5.  Может ли это быть сделано менее дороãостоящим методом? 
6.  Может ли использоваться стандартный материал? 
7.  С учетом требуемоãо êоличества может ли применяться менее 
дороãостоящий способ механичесêой обработêи? 
8.  Требуется ли вложение большеãо чем обычно êоличества рабочей 
силы, средств и затрат? 
9.  Возможно ли снижение стоимости без влияния на êачество? 
10.  Отêазались бы Вы поêупать данный материал на собственные 
деньãи по причине высоêой стоимости? 
Оêончательное решение о выборе материала должно быть основано 
на всех данных, собранных в ходе процесса принятия решения. 
И для военных и для ãраждансêих проеêтов разработчиêи 
должны хорошо знать требования ê прочности, вязêости разрушения, 
êоррозионной стойêости и сопротивлению износу. Первичные 
фаêторы выбора материала, далее внесенные в списоê, 
должны учитываться в êаждом случае, êоãда решение должно 
быть принято за или против выбора êонêретноãо êонструêцион-
ноãо материала. 
• Фунêциональные требования и оãраничения. 
• Механичесêие свойства. 
• Конструêтивное решение. 
• Возможные альтернативные материалы. 
• Технолоãичность. 
• Коррозионная стойêость и сопротивление износу. 
• Стабильность. 
• Особые свойства. 
• Стоимость. 

1.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И СТАНДАРТЫ 

В ходе проеêтирования инженер, ответственный за принятие 
оêончательноãо решения о выборе материала, должен учитывать 
соответствующие техничесêие требования ê изделиям, данные 
специфиêаций и стандартов и ссылаться на них. Конструêтор 
должен ãарантировать соответствие изделия стандартам и должен 

убедиться, что используемые стандарты ãарантируют удовлетворительную 
работу изделия. 
Для всестороннеãо соблюдения фунêциональных требований ê 
правильно изãотовленному изделию êонструêтор должен учитывать 
техничесêие данные êаê самоãо изделия, таê и соответст-
вующеãо материала. Техничесêие условия на изделие определяют 
еãо êонструêтивное решение, материал, допусêи, способы изãо-
товления и друãие требования ê материалам и видам обработêи. 
Разработчиê должен связать эти требования непосредственно с 
механичесêими, физичесêими и химичесêими свойствами, êото-
рым должно соответствовать êонечное изделие. 
В основном поведение материала определяется дефеêтами 
струêтуры, т. е. отêлонениями от правильноãо êристалличесêоãо 
строения, влияющими на последующие изменения в строении и 
струêтуре материала под действием механичесêих, термичесêих, 
термомеханичесêих, êоррозионных и êоррозионно-механичесêих 
наãрузоê. Блаãодаря знанию механизмов, определяющих свойства 
материалов, поведением их можно управлять. 
Предпосылêами ê целенаправленному и научно-систематизированному 
приспособлению материалов ê специфичесêому набору 
требований являются основополаãающие физиêо-химичесêие знания 
и набор необходимоãо научноãо оборудования. Это, например, 
рентãеносêопичесêая элеêтронная миêросêопия, растровая элеê-
тронная миêросêопия, элеêтронно-лучевые миêрозонды и видимая 
спеêтросêопия, мессбауэр-спеêтросêопия, рентãеновсêое исследование 
миêроструêтуры и напряженноãо состояния. 

1.2. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ  
И ВИДЫ ОТКАЗОВ 

Наиболее часто встречающиеся виды отêазов вêлючают в себя 
êоррозию, образование трещин и усталостное разрушение. 
Коррозия – это разрушение материала при взаимодействии с 
оêружающей средой. Материалом обычно является металл, и 
взаимодействие в большинстве случаев имеет элеêтрохимичесêую 
природу. К наиболее важным видам êоррозии относятся: 
Коррозионное растресêивание и питтинãовая êоррозия. В нержавеющих 
сталях питтинã происходит в оãраниченных областях, 
особенно в расщелинах. Питтинã и щелевая êоррозия обычно наблюдаются 
в пассивных металлах, таêих, êаê алюминий и алюминиевые 
сплавы, нержавеющие стали и сплавы на основе ниêеля. 
Коррозия под напряжением. В этом процессе одновременное 
воздействие аãрессивноãо êоррозионноãо аãента и непрерывноãо 
растяãивающеãо напряжения способствуют развитию трещин в 

металле. Материалы, подверженные êоррозии под напряжением, 
не деформируются до момента разрушения. Это хрупêое разрушение 
обычно происходит перпендиêулярно действующим напряжениям. 

Коррозия и эрозия. В этом процессе разрушение вызвано êом-
бинацией êоррозии и эрозии. Эрозия – постепенный унос материала 
с твердой поверхности из-за механичесêоãо взаимодействия 
между поверхностью и жидêостями, ãазами, твердыми частицами 
или êомбинацией этих сред. Коррозия и эрозия моãут происходить 
в орудийных стволах, ãазовых турбинах двиãателей и соплах 
раêет. 
Коррозия металла под орãаничесêими поêрытиями. Для 
оборудования наиболее важный тип этоãо отêаза – блистеринã, 
или образование вздутий и пузырей на оêрашенной или анодированной 
поверхности. При блистеринãе на оêрашенной поверхности 
в дальнейший процесс вовлеêаются прилеãающие области, в 
êоторых поêрытие отделилось от металла. Влаãа сêапливается в 
этих оãраниченных областях, в результате чеãо может иметь место 
êоррозия. Влаãа является основной причиной блистеринãа 
оêрашенных поверхностей и поêрытий. Анодированные поêры-
тия разрушаются при прохождении анодных реаêций êоррозии 
под их слоем. Нитевидная êоррозия, êоторая проявляется в виде 
тонêих нитей на поверхности, является внешней формой рас-
сматриваемоãо êоррозионноãо разрушения. 
Два важных типа разрушения поêрытий представляют адãе-
зивное и êоãезивное разрушение. При адãезивном разрушении, 
êоторое имеет тенденцию развиваться в прочных поêрытиях, нарушается 
их сцепление с материалом и поêрытие отслаивается от 
поверхности в виде пленêи. Коãезивное разрушение – явление, 
при êотором поêрытие тольêо частично твердо прилеãает ê под-
ложêе. Коãезивное разрушение происходит, êоãда материал по-
êрытия имеет меньшую собственную прочность по сравнению с 
прочностью сцепления. 
Миêробиолоãичесêая êоррозия. Этот тип отêаза вызывается 
миêроорãанизмами, особенно баêтериями и ãрибêами. Баêтерии, 
êоторые были недавно обнаружены с использованием различных 
средств наблюдения и исследования, аêтивно влияют на êоррозию 
алюминия. Грибêи моãут служить причиной êоррозии орãаниче-
сêих поêрытий, особенно на алêидной основе. Важно отметить, 
что наиболее серьезные êоррозионные разрушения происходят 
под влиянием êаê внешних фаêторов (оêружающая среда), таê и 
механичесêих наãрузоê. 
В табл. 1.1 сопоставлена êоррозионная стойêость материалов, 
используемых в êачестве болтовых стыêовых соединений.