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

α-латуни являются однофазными сплавами. α-фаза представляет собой твердый раствор замещения цинка в меди. В α-латунях показа- тели пластичности возрастают с повышением содержания цинка до 30-32 %, а прочности – до 40 %. Изделия из этих латуней изготавли- вают, главным образом, холодной и горячей обработкой давлением. При их обработке резанием формируется грубая поверхность (шеро- ховатость Ra более 12,5 мкм).

В двухфазных (α + β′)-латунях β′-фаза представляет собой твер- дый раствор меди в кристаллах химического соединения электронно- го типа CuZn (ОЦК-решетка). β′-фаза отличается повышенной твер- достью и хрупкостью и поэтому повышает твердость и снижает пла- стичность латуней этого класса. Изделия (α + β′)-латуней изготавли- вают горячей обработкой давлением (прессование штамповка), хо- лодной обработкой давлением (операция вытяжки исключается) и обработкой резанием.

β′-латуни имеют наиболее высокую твердость и прочность (одна- ко прочность при содержании цинка, превышающим 45 %, снижает- ся) и низкими показателями пластичности, что делает эти сплавы достаточно хрупкими. Соответственно использование сплавов с со- держанием цинка выше 45 % по эти причинам ограничено.

Исходя из условия задачи и учитывая вышеизложенное, наиболее обосновано выбрать в качестве материала двухфазную (α + β′)- латунь. Для предварительного анализа выберем латуни марок ЛС59-1 и ЛС63-3. Наличие свинца в химическом составе этих латуней улуч- шает их обрабатываемость резанием. Свинец образует с медью лег- коплавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерен и в самих зернах, что обеспечивает при резании формирование поэле- ментной стружки, которая легко удаляется из зоны резания, тем са- мым повышая обрабатываемость резанием по показателю – вид стружки [19]. По другому основному показателю обрабатываемость резанием – качество обработанной поверхности, эти латуни за счет

61

наличия твердой β′-фазы способны формировать после резания чис- товые поверхности с шероховатостью Ra менее 2,5 мкм.

Химический состав латуней

Латунь ЛС59-1

Согласно ГОСТ 52597-2006 латунь этой марки содержит: 58– 61 % Cu; 0,8–1,9 % Pb; до 0,75 % примесей.

Латунь ЛС63-3

Согласно ГОСТ 52597-2006 латунь этой марки содержит: 62– 65 % Cu; 2,4–3,0 % Pb; до 0,75 % примесей.

Состояние поставки латуней

Состояние поставки латуней по ГОСТ 52597-2006 следующее:

Латунь ЛС59-1

Мягкое состояние прутков (диаметр 3–50 мм: σв = 330 МПа; НВ 80. Твердое состояние прутков (диаметр 3–30 мм): σв = 490 МПа;

НВ 150.

Латунь ЛС63-3

Мягкое состояние прутков (диаметр 3–20 мм) – свойства не указаны. Полутвердое состояние прутков (диаметр 10–20 мм): σв = 350 МПа;

НВ – не указано.

Твердое состояние прутков (диаметр 15–20 мм): σв = 490 МПа;

НВ 130.

Анализ параметров состояния поставки латуней показывает следующее.

Для прутков диаметром от 15 мм до 20 мм параметры поставки для обеих марок латуней практически одинаковы, в случае твердого состояния поставляемых прутков. Свыше диаметра 20 мм прутки ла- туни марки ЛС63-3, согласно ГОСТу, не поставляются. Вместе с тем твердость поставляемых прутков марки ЛС59-1 выше, чем у латуни марки ЛС63-3, что обеспечит меньшую шероховатость деталей из этой марки после обработки резанием.

С позиций обрабатываемости резанием сравниваемых латуней обрабатываемость резанием латуни марки ЛС63-3 в технической ли-

62

тературе принята за 100 % [19]. Этот обобщенный показатель учиты- вает следующие характеристики: вид формируемой при резании стружки; шероховатость поверхности после обработки; скорость ре- зания, обеспечивающая стойкость инструмента не менее 60 минут. По тем же данным обрабатываемость резанием латуни ЛС59-1 приня- та за 80 %, что является высоким показателем.

Таким образом, для обработки резанием прутковых латуней с по- лучением «чистовой» поверхности после этого вида обработки наи- более обоснованным является выбор латуни марки ЛС59-1. При этом прутки должны быть поставлены в твердом состоянии.

3.4. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

Выбрать пластическую массу для изготовления смотрового стек- ла химического реактора для синтеза уксусной кислоты.

3.4.1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СМОТРОВОГО СТЕКЛА ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

Производство органических кислот осуществляется при опреде- ленных температурах и давлениях в химическом реакторе. При этом наиболее опасным видом разрушения смотрового стекла является хрупкое разрушение. Обязательными эксплуатационными требова- ниями будут также являться прозрачность материала смотрового стекла и его высокая химическая стойкость к органическим кислотам.

3.4.2.ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА ДЛЯ СМОТРОВОГО СТЕКЛА

СУЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТРЕБОВАНИЙ К НЕМУ

Механические свойства: ударная вязкость, Дж/м2. Физические свойства:

−максимальная рабочая температура, °С;

−коэффициент пропускания (прозрачность), %.

Химические свойства: химическая стойкость в органических ки- слотах.

63

3.4.3. СОСТАВЛЕНИЕ ОБОБЩЕННОГО ПАРАМЕТРА МАТЕРИАЛА

Обобщенный параметр материала для смотрового стекла химиче- ского реактора будет состоять из следующих основных показателей: ударная вязкость, максимальная рабочая температура, коэффициент пропускания (прозрачность), химическая стойкость в органических кислотах.

Анализ условий эксплуатации химических реакторов для производства уксусной кислоты показал [27], что указанные выше показатели материала смотрового стекла должны иметь следующие значения:

−ударная вязкость материала не менее 20 кДж/м2;

−максимальная рабочая температура материала не менее 150 °С;

−коэффициент пропускания не менее 80 %;

−химическая стойкость в органических кислотах весьма высокая. Осуществим предварительный выбор материала смотрового

стекла из пластических масс на основе указанных числовых значений основных показателей обобщенного параметра материала. При этом поиск будем осуществлять среди пластмасс для прозрачных деталей. Предварительно выберем следующие марки:

−Темплен (группа полиолефинов);

−ПСМ-0 (группа полистиролов);

−Ф-3 (группа фторопластов);

−Дакрил-4 (группа полиакрилатов);

−Дифлон оптический (группа поликарбонатов).

Состояние поставки пластмасс

Темплен. Согласно ТУ 6-05-041-589-79 показатели обобщенного параметра материала имеют следующие значения:

−ударная вязкость от 2 до 20 кДж/м2;

−максимальная рабочая температура материала не более

125°С;

−коэффициент пропускания 80–85 %;

−химическая стойкость к органическим кислотам – высокая.

64

ПСМ-0. Согласно ГОСТ 20282-86 показатели обобщенного пара- метра материала имеют следующие значения:

−ударная вязкость от 18 до 28 кДж/м2;

−максимальная рабочая температура материала не более 75 °С;

−коэффициент пропускания 85–89 %;

−химическая стойкость к органическим кислотам – высокая.

Ф-3. Согласно ГОСТ 13744-87 показатели обобщенного параметра материала имеют следующие значения:

−ударная вязкость от 20 до 60 кДж/м2;

−максимальная рабочая температура материала не более 170 °С;

−коэффициент пропускания 85–89 %;

−химическая стойкость к органическим кислотам – весьма высокая. Дакрил-4. Согласно ТУ 6-01-1236-89 показатели обобщенного

параметра материала имеют следующие значения:

−ударная вязкость от 24 до 140 кДж/м2;

−максимальная рабочая температура материала не более 85 °С;

−коэффициент пропускания 90 %;

−химическая стойкость к органическим кислотам – высокая. Дифлон оптический. Согласно ТУ 6-01-1668-80 показатели

обобщенного параметра материала имеют следующие значения: − ударная вязкость от 20 до 120 кДж/м2;

− максимальная рабочая температура материала не более

120°С;

−коэффициент пропускания 85–89 %;

−химическая стойкость к органическим кислотам – высокая.

3.4.4. ВЫБОР МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ОБОБЩЕННОГО ПАРАМЕТРА ДЛЯ СРАВНИВАЕМЫХ МАРОК ПЛАСТМАСС

По состоянию поставки сравниваемых марок пластмасс следует различать:

− по показателю ударной вязкости материала все марки соответ- ствуют условию задачи по эксплуатационным требованиям;

65

−по показателю максимальной рабочей температуры материала только фторопласт марки Ф-3 соответствует условию задачи по экс- плуатационным требованиям;

−по показателю коэффициента пропускания (прозрачности) все марки соответствуют условию задачи по эксплуатационным требованиям;

−по показателю химической стойкости к органическим кисло- там наивысшую стойкость (весьма высокую) имеет только фторо- пласт марки Ф-3.

Таким образом, только пластмасса группы фторопластов марки Ф-3 полностью отвечает всем эксплуатационным требованиям для изготовления смотрового стекла химического реактора для производ- ства уксусной кислоты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие показатели конструкционной прочности материала являются ос- новными в условиях действия на него циклических переменных нагрузок?

2.Химический состав стали 40ХН2МА.

3.Чем отличаются между собой показатели KCV и KCU?

4.Среда охлаждения сталей 40Х и 40ХН2МА с температур высокотемпе- ратурного отпуска.

5.Условия обработки резанием жаропрочных аустенитных сталей.

6.Красностойкость быстрорежущих инструментальных сталей.

7.Влияние кобальта на свойства быстрорежущих сталей.

8.Влияние ванадия на свойства быстрорежущих сталей.

9.Что такое латунь?

10.Какой параметр определяет вид поверхности после обработки ее реза-

нием?

11.Что такое обрабатываемость резанием?

12.Что такое β′-фаза в латунях?

13.Влияние структуры латуней на обрабатываемость резанием.

14.Отличие термопластов от реактопластов.

15.Основные преимущества пластических масс.

16.Недостатки пластических масс.

66

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С учетом современного состояния материаловедения задача выбора материала по назначению является многовариантной и многопарамет- рической, что вызывает определенные трудности для ее решения, особенно в случае малого практического опыта работы с материалами.

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.

Металлургическая наследственность (проявление структуры и свойств изначальных шихтовых материалов в структуре и свойствах продуктов каждого из последующих металлургических переделов) и технологическая наследственность (явление переноса свойств объек- та из предшествующей технологической операции к последующей) существенно влияют на качество конкретного изделия из выбранного материала.

Для обоснованного выбора материала по назначению в настоя- щем учебном пособии разработаны основные этапы его реализации.

На первом этапе анализируются условия эксплуатации детали, которую следует изготовить. Главными из них являются силовое и тепловое воздействие в условиях отсутствия или наличия коррозион- ных сред.

Силовое воздействие следует анализировать по величине дейст- вующих нагрузок, по скорости приложения нагрузок (статическое, ударное), по характеру приложения нагрузок (однократное, цикличе- ское). Тепловое воздействие, в зависимости от значения эксплуатаци- онных температур, накладывает на материал дополнительные требо- вания по холодостойкости, жаропрочности и жаростойкости.

67

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.

На втором этапе исходя из конкретных эксплуатационных свойств, отвечающих условиям эксплуатации детали анализируются механические и физико-химические свойства материала. Механиче- ские свойства – показатели: прочности; пластичности; вязкости; твердости. Физические свойства: механические характеристики; теп- ловые свойства; электрические свойства; магнитные свойства; опти- ческие свойства. Химические свойства: стойкость материалов против общей коррозии; стойкость материалов против химической и элек- трохимической коррозии; стойкость материалов к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию; химическая стойкость материалов.

При анализе влияния физико-химических свойств на выбор мате- риала по назначению следует учитывать следующие случаи.

Физико-химические свойства являются главными и определяю- щими срок эксплуатации детали, изделия из этого материала. Роль механических и других свойств не имеет существенного значения. Соответственно, материалы в этом случае должны иметь только необ- ходимый уровень определенных физических и химических свойств.

Физико-химические свойства являются важными, но при обяза- тельном высоком уровне механических свойств.

Физико-химические свойства являются сопутствующими ком- плексу других более важных свойств материала.

Физико-химические свойства не оказывают заметного влияния на эксплуатационные свойства материалов. В этом случае анализируют- ся те свойства, которые определены как важнейшие из анализа усло- вий эксплуатации материала.

Завершением этапа 2 будет являться ранжирование значимости механических, физических и химических свойств и установление наиболее важных свойств материалов, которые необходимо учиты-

68

вать и анализировать при выборе материала по назначению, исходя из условий эксплуатации детали из этого материала.

Содержанием этапа 3 будет являться формирование обобщенного параметра материала, представляющего собой совокупность показа- телей его конструкционной прочности с учетом конкретных условий эксплуатации этого материала (температурные воздействия, среда эксплуатации, значимость физических и химических воздействий на материал через его физические и химические свойства). Для реализа- ции этого этапа выбора материала по назначению подробно рассмот- рены основные критерии прочности, надежности и долговечности.

На этапе 4 выбора материала по назначению следует рассмотреть возможные варианты повышения конструкционной прочности анали- зируемых материалов. Этими вариантами являются металлургические и технологические методы.

Основными факторами металлургической истории материала яв- ляются химический состав и технология его получения. Эти факторы важны с позиций металлургической наследственности материалов.

Технологические методы повышения конструкционной прочно- сти материалов связаны с вопросами их технологической наследст- венности, так как технологическая наследственность в полной мере определяет качество деталей после их изготовления. Самыми сущест- венными технологическими барьерами для отрицательной наследст- венности являются операции пластической и термической обработки. Эти операции способны не только устранить отрицательную и уси- лить положительную наследственность, но и инициировать новый вид технологической наследственности.

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 назначе- нию. Материал выбирается на основании анализа обоснованно уста- новленного обобщенного параметра материала с учетом металлурги-

69

ческих и технологических вариантов повышения показателей его конструкционной прочности. Примеры реализации этапа 5 приведены в главе 3 настоящего учебного пособия.

Изложенный в настоящем учебном пособии подход к выбору ма- териалов по назначению позволяет осуществить обоснованный выбор материала даже в случае малого практического опыта работы с мате- риалами. Это будет являться первым и основным уровнем в выборе материала по назначению, который затем следует корректировать с учетом его технологичности (2 уровень) и стоимости (3 уровень).

70