Выбор материалов по назначению с позиций их конструкционной прочности. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»

О.Н. ХАМИН

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ПО НАЗНАЧЕНИЮ С ПОЗИЦИЙ

ИХ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

Учебное пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2019

1

ВВЕДЕНИЕ

Современное материаловедение располагает огромнейшей базой материалов для их использования при изготовлении комплектующих деталей и изделий различного целевого назначения.

Металлические материалы: металлы, железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны), легированные стали, цветные металлы и их сплавы, металлические порошки и гранулы, металлические композиционные материалы и неметаллические материалы: пластические массы (тер- мо- и реактопласты), композиционные материалы на полимерной и керамической основе, керамические материалы, резины, древесные материалы, клеи, лакокрасочные и уплотнительные материалы – это укрупнено весь спектр современных материалов. Например, количе- ственно в настоящее время разработано и промышленно выпускается более 10000 марок углеродистых и легированных сталей, около 3000 марок пластических масс. Как из этого огромнейшего количества ма- териалов обоснованно выбрать единственный или ограниченное ко- личество конкурирующих материалов для изготовления конкретной детали, эксплуатируемой в определенных условиях?

Следует отметить, что задача выбора материала по назначению является многовариантной: для изготовления одной и той же детали можно использовать различные материалы при сохранении ее работоспособности в течение заданного времени. Так, для изготовления дверной межкомнатной ручки можно использовать следующие материалы: углеродистую или легированную сталь, цветной металл или сплавы цветных металлов, пластические массы, древесину. При этом полученная ручка из любого перечисленного материала в той или иной мере будет обеспечивать работоспособность в течение некоторого времени. Кроме того, даже в случае уменьшения выбора по группам материалов в рамках даже одной группы имеем значительное количество марок материалов. Например, при выборе материала для изготовления деформирующего инструмента придется выбирать среди 10–15 марок инструментальных углеродистых и легированных сталей.

3

Тенденция современного машиностроения направлена на полу- чение деталей и изделий с новым уровнем функциональных, экологи- ческих и эстетических свойств. Это в первую очередь возможно, ко- гда материал, предназначенный для их изготовления, отвечает высо- ким эксплуатационным, технологическим и экономическим требова- ниям. При этом первостепенное значение имеют эксплуатационные требования. Технологические и экономические требования приобре- тают особое значение в условиях массового производства, когда про- изводительность, качество и стоимость деталей и изделий сущест- венно от них зависят.

Эксплуатационные требования к материалу формируют его экс- плуатационные свойства, которые должны обеспечивать надежную и долговечную работу деталей и изделий. В свою очередь, эксплуата- ционные свойства материала определяют необходимый уровень па- раметров для всех остальных свойств материалов: механических, фи- зико-химических и технологических. Соответственно совокупность параметров, которые следует проанализировать при выборе мате- риала, а в случае разработки нового материала и определить, со- ставляет обобщенный параметр, включающий около 30–40 пара- метров, которые затем сводят на основе установления их значимо- сти к 7–10 параметрам.

Таким образом, задача выбора материала по назначению являет- ся, помимо многовариантной, еще и многопараметрической. В этом случае наиболее рационально используют эвристическую поэтапную стратегию поиска и выбора материала. На практике это реализуется на основе следующих основных этапов:

−составление перечня свойств, формирующего обобщенный параметр материала;

−определение значений параметров;

−определение значимости параметров на основе метода расста- новки приоритета;

−установление порога релевантности параметров;

−выбор материала последовательным приближением от наиболее ценного и весомого к оптимальному;

4

− при наличии нескольких равноценных материалов выбрать условно оптимальное решение с помощью функции желательности Харрингтона или по результатам сравнительного опробования конку- рирующих вариантов.

Изложенный подход не имеет строгого формального алгомет- рического обоснования и поэтому может быть осуществлен только специалистом (экспертом), использующим свои знания и практический опыт, что практически невозможно для начинающих материаловедов. Кроме того, за кадром остаются вопросы влияния металлургических и технологических методов обработки материалов на их свойства, которые через металлургическую и технологическую наследственность активно формируют конечные эксплуатационные свойства деталей и изделий из выбранного материала, и могут эти свойства существенно снизить даже для материала, имеющего изначально высокие показатели.

Внастоящем учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные

собоснованным выбором материала по назначению на основе анали- за и установления основных показателей его конструкционной проч- ности как совокупности критериев прочности, надежности и долго- вечности. Именно показатели конструкционной прочности материала чувствительны к методам получения и обработки материалов, фор- мирующим металлургическую и технологическую наследственность материала. Поэтапный анализ включает: анализ условий эксплуата- ции объекта (детали, изделия); анализ эксплуатационных свойств ма- териала с выходом на его механические и физико-химические свой- ства и установление их значимости; составление обобщенного пара- метра конструкционной прочности с учетом металлургических и тех- нологических методов повышения его показателей, что позволяет осуществить обоснованный выбор материала по назначению даже в случае малого практического опыта работы с материалами. Это будет являться первым и основным уровнем в выборе материала по назна- чению, который затем следует корректировать с учетом его техноло- гичности (второй уровень) и стоимости (третий уровень).

5

Глава 1 ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА

МАТЕРИАЛА ПО НАЗНАЧЕНИЮ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ВЫБОРЕ МАТЕРИАЛА ПО НАЗНАЧЕНИЮ

Обоснованный выбор материала по назначению должен соответ- ствовать тенденции современного машиностроения, направленной на получение деталей и изделий с новым уровнем функциональных, экологических и эстетических свойств. Это возможно, когда матери- ал, предназначенный для их изготовления, отвечает высоким экс- плуатационным, технологическим и экономическим требованиям.

1. Эксплуатационные требования к материалу имеют первостепен- ное значение. Эти требования формируют его эксплуатационные свойства, которые должны обеспечивать надежную и долговечную работу деталей и изделий из выбранного материала при их экс- плуатации.

Эксплуатационные требования к материалу будут определяться величиной и характером силового воздействия на материал в кон- кретной рабочей среде при конкретной температуре.

Среда и температурные воздействия оказывают существенное, как правило, отрицательное влияние на критерии прочности, надеж- ности и долговечности материала. Эти факторы могут вызвать окис- ление поверхности, образование окалины, коррозионное растрески- вание, изменение химического состава поверхностного слоя, разру- шение материала под действием ионизационного и радиационного облучения и другие дефекты как поверхностные, так и в объеме всего материала. При этом температурный диапазон эксплуатации совре- менных материалов составляет от -269 °С до 2500 °С.

Совокупность критериев прочности, надежности и долговечности материала определяет понятие конструкционной прочности этого ма- териала [1]. Соответственно в условиях конкретной рабочей среды и температурных воздействий на деталь из выбранного материала при

6

анализе его конструкционной прочности следует также учитывать физико-химические свойства этого материала: тепловые, электриче- ские, магнитные, стойкость против химической и электрохимической коррозии и др.

2.Технологические требования (технологичность материала) определяют трудоемкость изготовления детали из выбранного ма- териала.

Технологические требования определяются обрабатываемостью, резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прока- ливаемостью, склонностью к деформациям и короблению при терми- ческой обработке, способностью обрабатываться электрофизически- ми и электрохимическими методами и высокими технологиями. Тех- нологичность материала имеет большое значение, так как от нее за- висит трудоемкость и производительность при изготовлении кон- кретной детали (себестоимость изготовления), а также ее качество. ГОСТ 15467-79 определяет понятие качества как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности.

3.Экономические требования: стоимость материала, затраты на изготовление комплектующих деталей изделий и объем производства деталей.

Использование дорогих материалов должно быть обосновано вы- сокими эксплуатационными свойствами изготавливаемых деталей из этих материалов.

Затраты на изготовление комплектующих деталей изделий будут определяться разработанным технологическим маршрутом обработки выбранного материала при изготовлении конкретной детали с учетом его технологичности. Здесь и в дальнейшем под деталью будем понимать изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций [26]. Таким образом, изделие может состоять из одной детали (например, литой корпус, вал и т.п.) или из определенного количества комплектующих деталей.

7

Экономические требования приобретают особое значение в усло- виях массового производства.

Практика показывает, что совокупность параметров, отвечающих эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям к материалу, составляет обобщенный параметр, включающий поряд- ка 30–40 параметров [22]. Соответственно задача обоснованного вы- бора материала по назначению является многопараметрической. Кроме того, она является также и многовариантной – для изготовле- ния одной и той же детали можно использовать различные материалы при сохранении ее работоспособности в течение заданного времени. Наиболее рационально при решении многовариантных задач с боль- шим числом параметров использовать эвристическую поэтапную стратегию поиска и выбора материала [20]. На практике это реализу- ется на основе выполнения следующих основных этапов:

−составление перечня свойств, формирующего обобщенный параметр материала;

−определение значений параметров;

−определение значимости параметров на основе метода расста- новки приоритета;

−установление порога релевантности (соответствия) параметров;

−выбор материала последовательным приближением от наибо- лее ценного и весомого к оптимальному;

−при наличии нескольких равноценных материалов выбрать условно оптимальное решение с помощью функции желательности Харрингтона или по результатам сравнительного опробования конку- рирующих вариантов.

Изложенный подход не имеет строгого формального алгометри- ческого обоснования и поэтому может быть осуществлен только специалистом (экспертом), использующим свои знания и практи- ческий опыт, что практически невозможно для начинающих материа- ловедов. Кроме того, за кадром остаются вопросы влияния металлур- гических и технологических методов обработки материалов на их

8

свойства, которые через металлургическую и технологическую наследственность активно формируют конечные эксплуатационные свойства деталей и изделий из выбранного материала, и могут эти свойства существенно снизить даже для материала, имеющего изначально высокие показатели [19].

Соответственно, указанные недостатки учтены при разработке основных этапов обоснованного выбора материала по назначению, изложенных в настоящем учебном пособии.

1.2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ОБОСНОВАННОГО ВЫБОРА МАТЕРИАЛА ПО НАЗНАЧЕНИЮ

На рис. 1.1 схематично представлено содержание основных эта- пов обоснованного выбора материала по назначению.

Этап 1

Анализируются условия эксплуатации детали, которую следует изготовить. Главными из них являются следующие виды воздействий на материал детали, изделия: силовое; тепловое; коррозионная среда.

Силовое воздействие следует анализировать по величине дейст- вующих нагрузок, по скорости приложения нагрузок (статическое, ударное), по характеру приложения нагрузок (однократное, цикли- ческое).

Тепловое воздействие, в зависимости от значения эксплуатаци- онных температур, накладывает на материал дополнительные требо- вания по холодостойкости, жаропрочности и жаростойкости.

Коррозионная среда (сухие газы и электролиты) вызывают хими- ческую и электрохимическую коррозию, что необходимо также учи- тывать при выборе материала.

На основе анализа условий эксплуатации детали следует устано- вить, какими эксплуатационными свойствами должен обладать иско- мый материал. Основные эксплуатационные свойства материалов следующие.

9

Условия эксплуатации детали, изделия

1 этап

Эксплуатационные свойства материала

Деталь, изделие

Рис. 1.1. Основные этапы обоснованного выбора материала по назначению

10