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

Стойкость материала к межкристаллитной коррозии

Межкристаллитная коррозия – хрупкое коррозионное разруше- ние по границам кристаллов при тепловой обработке и эксплуата- ции. Это коррозия металлических материалов по границам зерна (кристаллов).

Количественно этот показатель оценивается как [14]:

−потеря массы материала;

−повышение электросопротивления. Качественно этот показатель оценивается как:

−наличие микротрещин при металлографических исследованиях;

−наличие трещин и разрушение в зоне растяжения при испыта- ниях на растяжение;

−уменьшение продолжительности звучания при испытаниях на

звук.

Стойкость материала к коррозионному растрескиванию

Коррозионное растрескивание – коррозионное разрушение от со- вместного действия электролитов и растягивающих напряжений [15], коррозионная выносливость – коррозионное разрушение под дейст- вием циклических нагрузок в электролитах.

Количественно этот показатель оценивается как:

−величина, обратная времени до растрескивания (скорость рас- трескивания);

−процент образцов, которые получили трещины при испытании на растрескивание, к общему количеству образцов;

−относительное изменение предела прочности σв за определен- ное время выдержки в коррозионной среде в напряженном состоянии, создаваемом внешними и внутренними силами.

Качественно этот показатель оценивается по наличию трещин на поверхности материала, расположенных перпендикулярно направле- нию действия растягивающих напряжений.

21

Химическая стойкость материала

Химическая стойкость – способность материала противостоять разрушению под действием кислот, щелочей и солей. Для различных материалов существуют таблицы химической стойкости, где приво- дится информация о возможности использования конкретного мате- риала в той или иной химически активной среде.

При анализе влияния химических свойств на выбор материала по назначению следует учитывать возможные случаи, аналогичные та- ковым, при анализе физических свойств материала.

Завершением этапа 2 будет являться ранжирование значимости механических, физических и химических свойств и установление наиболее важных свойств материалов, которые необходимо учиты- вать и анализировать при выборе материала по назначению, исходя из условий эксплуатации детали из этого материала.

Этап 3

Содержанием этого этапа будет являться формирование обоб- щенного параметра материала, представляющего собой совокупность показателей его конструкционной прочности с учетом конкретных условий эксплуатации этого материала (температурные воздействия, среда эксплуатации, значимость физических и химических воздейст- вий на материал через его физические и химические свойства). Эти вопросы подробно рассмотрены в главе 2 настоящего пособия.

Этап 4

На этом этапе выбора материала по назначению следует рассмот- реть возможные варианты повышения конструкционной прочности анализируемых материалов. Этими вариантами являются металлур- гические и технологические методы.

Основными факторами металлургической истории материала яв- ляются химический состав и технология его получения. Так, для ме- таллических материалов в плане химического состава важно регули- ровать первородность шихты всех компонентов сплава (основного компонента, легирующих компонентов и примесей), балльность по

22

неметаллическим и карбидным включениям и газонасыщенность сплавов. В плане получения сплавов важно учитывать способ плавки (кислородный конвертор, электродуговой переплав, электрошлако- вый переплав и т.п.) и способ разливки (цеховая атмосфера, в кри- сталлизатор, под вакуумом, в вакуумном ковше и т.п.). Все эти фак- торы важны с позиций металлургической наследственности сплавов (проявление структуры и свойств изначальных шихтовых материалов в структуре и свойствах продуктов каждого из последующих метал- лургических переделов). Соответственно оптимизация перечислен- ных выше металлургических факторов обеспечит и повышение кон- струкционной прочности материалов. Аналогичный подход (через состав и технологию получения) следует применять и к неметалличе- ским материалам.

Технологические методы повышения конструкционной прочно- сти материалов связаны с вопросами их технологической наследст- венности (явление переноса свойств объекта из предшествующей технологической операции к последующей), так как технологическая наследственность в полной мере определяет качество деталей после их изготовления.

Основные параметры деталей, наследуемые в ходе технологи- ческого процесса их изготовления, делятся на две группы: параметры, связанные с геометрией детали (точность, макро- и микрогеометрия поверхностей и т.п.), и параметры, связанные с материалом детали (химический состав, механические свойства, напряженно-деформиро- ванное состояние и структурно-фазовый состав как всего объема, так и поверхностных слоев и т.п.) [19]. При этом наиболее общепризнанными технологическими показателями являются шероховатость и твердость (микротвердость) поверхности при заданной точности изготовления детали.

Самыми существенными технологическими барьерами для насле- дования параметров второй группы являются операции пластической и термической обработки. Эти операции способны не только устранить отрицательную и усилить положительную наследственность, но и инициировать новый вид технологической наследственности.

23

Соответственно в том случае, когда исходные свойства материа- лов не отвечают условиям их эксплуатации, следует рассмотреть во- прос о возможности использования металлургических и технологиче- ских методов повышения их конструкционной прочности.

Этап 5

Это этап первого уровня выбора материала по назначению. Ма- териал выбирается на основании анализа обоснованно установленно- го обобщенного параметра материала, с учетом металлургических и технологических вариантов повышения показателей его конструкци- онной прочности. Примеры реализации этапа 5 приведены в главе 3 настоящего учебного пособия.

Этап 6

Второй уровень выбора материала по назначению предполагает оценку его технологичности. Технологичность материала – его спо- собность обрабатываться различными методами. В зависимости от метода обработки технологичность материалов оценивается его спо- собностью обрабатываться резанием, давлением, свариваться, спо- собностью к литью, прокаливаться и закаливаться, склонностью к деформациям и короблению при термической обработке, способно- стью обрабатываться электрофизическими и электрохимическими методами и высокими технологиями. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависит трудоемкость и произ- водительность при изготовлении конкретной детали (себестоимость изготовления), а также ее качество. Соответственно после выбора ма- териала по обобщенному параметру с позиций его конструкционной прочности следует оценивать технологический маршрут изготовле- ния детали из него и проанализировать на этой основе возможные трудозатраты конкретного технологического процесса.

Для наиболее общего случая обработки материалов технологиче- ский маршрут структурно имеет следующий вид [23]:

С→ОЗП→ТОЗ→ООПФ→ТО→ОРО→ООП→Д (1.1)

24

В формуле (1.1) приняты следующие обозначения:

С – сырье, материалы (литые, деформированные, порошковые, гранулированные и т.п.);

Д – деталь–изделие; ОЗП – операции заготовительного производства (литье, обработ-

ка давлением, сварка); ТОЗ – операции термической обработки заготовок (межопераци-

онные отжиги I и II родов);

ООПФ – операции обработочного производства, формообра- зующие (обработка резанием со снятием стружки);

ТО – операции термической, химико-термической и термо- механической обработки (формирование механических свойств заготовок);

ОРО – операции размерной обработки (без снятия стружки); ООП – операции обработки поверхности.

Структура технологического маршрута изготовления конкретной детали будет зависеть от следующих основных факторов.

Объем выпуска деталей (тип производства)

Следует иметь в виду, что технологические маршруты изготовле- ния одной и той же детали в условиях единичного и массового произ- водства будут существенно отличаться друг от друга. При единичном и мелкосерийном производстве предпочтение отдается, как правило, обработке резанием с использованием универсального металлорежу- щего оборудования. При массовом производстве на начальных этапах технологического маршрута используются высокопроизводительные методы заготовительного производства (литье, обработка давлением, порошковая металлургия, сварка).

Оборудование предприятия и кооперационные связи

При выборе технологического маршрута изготовления конкрет- ной детали следует учитывать номенклатуру оборудования, находя- щегося в распоряжении предприятия-изготовителя, а также необхо-

25

димые кооперационные связи, предполагающие передачу выполне- ние определенных операций технологического маршрута другим предприятиям, как с позиций невозможности их реализации собст- венными силами, так и в случае обеспечения другими предприятия- ми более высокого качества и более низких затрат по конкретной операции.

Проявление технологической наследственности в технологическом процессе изготовления деталей

На любой стадии (операции) технологического маршрута изго- товления конкретной детали проявляется технологическая наследст- венность в виде переноса свойств обрабатываемого материала из предшествующей операции к последующей. Технологическая на- следственность проявляется, прежде всего, через:

−свойства материала заготовок;

−свойства материала заготовок и деталей в их поверхностных

слоях;

−свойства материала и поверхностных слоев заготовок после термической обработки и обработки давлением;

−погрешности операций обработочного производства, включая погрешности установочных баз;

−влияние конструктивных форм заготовок и деталей;

−условия эксплуатации деталей.

Если не предпринимать необходимые меры для ликвидации пе- редачи вредных наследственных свойств (неоднородность химиче- ского состава и структурно-фазового состава материала; дефекты термической обработки; волокнистость заготовок после обработки давлением; изменение свойств материала как для всего объема, так и его поверхностных слоях, во времени; рассеивание размеров деталей и значений шероховатости поверхности и другие) от предыдущих технологических операций к последующим, качество готовой детали неизменно снижается. Учет технологической наследственности по- зволит построить оптимальный технологический процесс, способный

26

связать воедино производство заготовок, их механическую обработку и эксплуатационные показатели деталей, полученных из этих заготовок.

Вместе с тем следует иметь в виду, что объективное существова- ние наследственных связей не означает, что во всех случаях их строго необходимо учитывать. Если речь идет об изготовлении машино- строительной продукции нормальной точности (13 квалитет и выше), то наследственная доля вышеперечисленных погрешностей может оказаться весьма малой. Следовательно, закономерности технологи- ческой наследственности необходимо учитывать, прежде всего, в прецизионном (высокоточном) машиностроении и в случае наличия в технологическом процессе изготовления деталей операций высоких технологий, что, прежде всего, связано с формированием специаль- ных свойств в поверхностных слоях готовой детали.

Этап 7

Основными экономическими показателями при выборе материа- ла по назначению являются объем производства деталей, стоимость материала и затраты на изготовление конкретной детали из этого ма- териала.

Объем производства

При выборе материала для изготовления деталей в условиях еди- ничного и мелкосерийного производства экономические вопросы не являются определяющими, так как рыночная цена единичных изде- лий и изделий небольших партий всегда выше, чем цена подобных изделий массового производства. При массовом производстве этот вопрос является одним из основных.

Стоимость материала

При прочих равных условиях (объем производства, соответствие по механическим, физико-химическим и технологическим свойствам) эксплуатации детали из выбранных материалов предпочтение следует отдать более дешевому материалу.

27

Затраты на изготовление детали

Эти затраты будут определяться выбранным технологическим маршрутом изготовления конкретной детали. Сокращение числа опе- раций технологического процесса снизит затраты на изготовление де- талей при гарантированном качестве этих деталей.

С экономической точки зрения сокращение числа операций тех- нологического процесса изготовления конкретной детали, например за счет выбора более технологичного материала, снизит себестои- мость изготовления этой детали. Однако сокращение числа техноло- гических операций не должно привести к снижению качества изго- товленной детали. С позиций технологической наследственности это особо важно учитывать при получении деталей повышенной точно- сти, с высокими механическими свойствами, с сохранением структу- ры деталей при их эксплуатации, при формировании специальных свойств на поверхности этих деталей. Например, для прецизионных деталей сокращение оптимального количества операций термической обработки или механической обработки (чистовое точение, предвари- тельное шлифование, поверхностное пластическое деформирование) существенно снизит основные показатели качества этих деталей.

Последовательная реализация этапов 1–7 по обоснованному вы- бору материала по назначению согласно рис. 1.1 настоящего учебно- го пособия позволит получить деталь–изделие с высокими эксплуата- ционными свойствами, отвечающими экологическим условиям и за- данным эстетическим свойствам, с регламентированными экономи- ческими показателями.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Эксплуатационные требования при выборе материала по назначению.

2.Технологические требования при выборе материала по назначению.

3.Экономические требования при выборе материала по назначению.

4.Эксплуатационные свойства материалов.

5.Механические свойства материалов.

6.Физические свойства материалов.

28

7.Химические свойства материалов.

8.Металлургические методы повышения конструкционной прочности ма- териалов.

9.Технологические методы повышения конструкционной прочности материалов.

10.Технологичность материалов.

11.Общая структура технологического маршрута изготовления деталей.

12.Металлургическая наследственность в технологических процессах.

13.Технологическая наследственность в технологических процессах.

29

Глава 2 КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Конструкционная прочность материала – комплекс свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в усло- виях эксплуатации детали из этого материала. Конструкционная прочность включает сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

2.1. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

При статическом нагружении это следующие параметры:

−предел прочности (временное сопротивление при растяжении)

–σв, МПа;

−условный предел текучести – σ0,2, МПа;

−физический предел текучести – σт, МПа;

−предел упругости σупр, МПа.

−твердость материала по Бринеллю – НВ, МПа;

−твердость материала по Роквеллу после термической обра- ботки – НRC, ед.

При длительном циклическом нагружении используется предел

выносливости σR, МПа.

Критерий жесткости Е (модуль упругости, МПа) вводится для ог- раничения упругой деформации εmaxупр = σупр / Е, где σупр – предел упру-

гости материала.

Для облегчения конструкций введены параметры:

−удельная прочность – σв/pg, м;

−удельная жесткость – Е/pg, м;

−плотность материала – p, кг/м3;

−ускорение свободного падения – g, м/с2.

Перечисленные выше показатели прочности определяют при стандартных механических испытаниях материалов [2–4, 6]. Вместе с тем, стандартные испытания часто проводят в условиях, модели- рующих среду эксплуатации материала [7, 8].

30