Порядок выполнения работы

1. Каждый студент получает задание, в котором указано наименование детали и условия ее эксплуатации.

2. Анализирует ее напряженное состояние в процессе эксплуатации.

3. Определяет комплекс необходимых свойств материала.

4. Строит дерево свойств.

5. Составляет отчет по проделанной работе.

6. Защищают отчеты перед группой.

Содержание отчета: 1. Описать цели и задачи.

2. Построить дерево свойств (рисунок 1).

Контрольные вопросы: 1. Что такое качество?

2. Что такое свойство?

3. Что понимается под деревом свойств?

4. Что такое группа свойств?

5. Что понимается под высотой дерева и каково число ярусов?

6. Что понимается под полным и неполным деревом?

7. Что такое поддерево?

8. Каким образом определяется принадлежность свойств к группе?

Практическая работа № 2 Оптимизация выбора материала по основным эксплуатационным требованиям

Цель работы: 1.Ознакомиться с методологией выбора материалов. Построить дерево решений для конкретного изделия

2. Рассчитать функцию желательности для различных вариантов.

1. Общие сведения

Методика выбора материалов и обработки металлических изделий. При выборе материала для проектируемой детали основными требованиями являются следующие:

– Обеспечение конструкционной прочности изделия с учетом вида напряженного состояния и условий эксплуатации детали,

– Соответствие технологических свойств выбранного материала с возможностями конкретного производства. – Экономическая эффективность изготовления изделия из выбранного материала, особенно важная при серийном и массовом производстве.

Рисунок 1. Классификация параметров выбора материалов

В том случае, если основным критерием выбора материала является ком­плекс механических свойств, конструктор традиционно использует справоч­ную литературу, содержащую характеристики прочности и пластичности ши­рокого перечня сталей и сплавов, а также рекомендации по назначению и типо­вые режимы их термической и химико-термической обработки. В то же время, обеспечение комплекса требований по прочности и пластичности часто оказы­вается недостаточным для надежной работы изделия. Для большой группы из­делий необходимо обеспечить еще и достаточный запас вязкости. В особенно­сти это важно для ответственных деталей, и для изделий, работающих в усло­виях Крайнего Севера при отрицательных температурах, так как температура хрупко-вязкого перехода в них должна быть как можно ниже температуры экс­плуатации.

Обеспечение работоспособности изделия подразумевает не только опреде­ленный комплекс механических свойств — прочности, вязкости» пластично­сти, но и наличие специфических свойств, таких, как коррозионная стойкость, жаростойкость» кавитационная стойкость и т.д. Например, для изготовления деталей агрегатов пищевой промышленности» находящихся в непосредствен­ном контакте с пищевыми продуктами» необходимо выбирать материал, обла­дающий не только механической прочностью, но и коррозионной стойкостью при длительных воздействиях пищевых сред в условиях повышенных давлений т температур. Кроме того, в данном случае необходимым требованием яв­ляется нетоксичность как самих материалов, так и продуктов их коррозии.

Выбор марки стали или сплава неотделим от выбора технологии термиче­ской обработки. При выборе технологии обработки, обеспечивающей конст­рукционную прочность, необходимо учитывать не только характеристики прочности и твердости. Так, в стали 40 можно получить предел прочности на уровне 800 МПа путем улучшения (закалка от 840°С и высокий отпуск) или нормализации (непрерывное охлаждение на воздухе от 840 *С). В первой слу­чае после проведенной термообработки сталь будет иметь следующий ком­плекс свойств: δ = 16 %; ψ = 65 %, Т₅₀= - 120°С, а во втором δ= 14 %; ψ = 22 %, Т₅₀= + 50 °С. Очевидно, что, несмотря на более сложную технологию термической обработки, для ответственных изделий необходимо рекомендо­вать только первый вариант. Технологичность выбранного материала особен­но важна в условиях серийного и массового производства.

Для деталей, подвергающихся упрочняющей термической обработке, важ­ным критерием при выборе марки стали является ее прокаливаемость Опти­мальное сочетание прочности и вязкости обеспечивается при содержании в структуре закаленной стали не менее 90 % мартенсита. Как отмечалось в п. 3.1, детали, работающие в условиях действия ударных нагрузок или больших рас­тягивающих напряжений, должны иметь одинаково высокую прочность по всему сечению. Для деталей, работающих в условиях изгиба или среза без удар­ных нагрузок, можно ограничиться получением высокой прочности на глуби­не» равной 0,25 толщины детали. В соответствии с этим выбирать марку стали и технологию ее термической обработки следует, ориентируясь на ее характери­стики прокаливаемости. Чем больше сечение изделия, тем более легированную сталь приходится выбирать, чтобы обеспечить регламентированную прокаливаемость.

Для деталей, в которых высокие прочностные (или антикоррозионные, триботехнические и др.) свойства достаточно обеспечить только в относительно тонком поверхностном слое, можно использовать соответствующую хими­ко-термическую обработку. В этом случае выбор марки стали определяется комплексом требуемых свойств (например, сочетанием прочности и вязкости) на поверхности и в сердцевине изделия.

Решение проблемы выбора материала для конкретного изделия осложняет постоянно возрастающим количеством аналогичных по назначению и близких по свойствам сталей и сплавов.

Кроме того, в современных условиях производства определяющим стано­вится экономический фактор. Стоимость изделия определяется, в первую очередь, стоимостью используемого материала. Самыми дешевыми из конструкционных сталей являются углеродистые стали обыкновенного качества. Низколегированные стали, содержащие марганец, кремний, небольшое коли­чество хрома мало отличаются по стоимости от углеродистых сталей. Высоко­легированные стали тем дороже, чем больше содержат легирующих элементов. К самым дорогим относятся никелевые жаропрочные сплавы, прецизионные сплавы и вольфрамовые инструментальные стали. Вместе с тем, высоколегиро­ванные стали обладают более высоким комплексом свойств, что позволяет уменьшить размеры и снизить материалоемкость изделий. Необходимо учи­тывать, что в себестоимость детали входит не только стоимость материала, но и стоимость технологии его обработки. Целесообразность и эффективность ис­пользования сложных видов обработки, таких, например, как химико-терми­ческая, термомеханическая, определяется невозможностью обеспечения без их применения требуемого комплекса свойств изделия.

К числу важнейших факторов, определяющих выбор материала и техноло­гии его обработки, относятся также экологические требования и возможность последующей утилизации материала.

Таким образом, проблема оптимального выбора материала — сложная и многопараметрическая задача. Часто она решается эвристически, на основе теоретических знаний, практического опыта и интуиции конструктора. Одна­ко существуют подходы, позволяющие формализовать задачу и найти опти­мальное решение, обоснованное в рамках принятых ограничений.

Определение объектов и их значений. Объект: нагрузки. Значение: низкие, средние, высокие. Объект: требования к материалу. Значение: нормальные, высокие.

Функция желательности. Сложность оптимального выбора заключается в том, что нужно сравнить несопоставимые свойства, например, прочность, коррозионную стоит кость, обрабатываемость резанием. Характеристики этих свойств имеют разный физический смысл и размерность и не могут непосредственно сравниваться друг с другом. Некоторые свойства вообще не могут быть оценены количественно, например, склонность к отпускной хрупкости, флокеночувствительность.

Рисунок 2. Дерево решений

Рассмотрим дерево решений на примере чугунного коленчатого вала.

Одним из подходов к решению проблемы выбора является использование обобщенной функции желательности Харрингтона, которая рассчитывается по формуле:

d = ехр [ – ехр ( –y')],

где d– функция желательности;у– кодированное значение свойства.

Прежде всего необходимо выделить перечень анализируемых свойств, К числу которых могут относиться не только эксплуатационные свойства, но и экономические – материалоемкость, стоимость, а также эргономические, экологические и др. Кодирование свойств осуществляется следующим образом. Кодированное значение свойства задается в интервале от – 6 до + 6 в соответствии с критериями, приведенными в табл. 6.1.

Рисунок 3. Дерево решений коленчатого вала

Таблица 6.1

Соотношение значений критериев желательности и кодированных свойств

Желательность качества свой­ства	Макси­мально хороший уровень	Очень хорошее	Хорошее	Удовле­твори­тельное	Плохое	Очень плохое	Абсо­лютно непри­емлемое
Значения у	От 6 до 3	От 3 до 1,5	От 1,5 до 0,8	От 0,8 До О	От О До-1,5	От -1,5 До-3	От -3 До -6
Значения функции жела-кшостп d	1,00	1.00... 0,80	0,80... 0,63	0,63... 0,37	0,37... 0,20	0,20...0	0

На практике обычно используют значения у' = 0 и у' = 3, как нижнее и верх­нее граничные условия. Нижнее значение свойства наиболее часто задается тех­нической документацией или условиями работы (например: твердость поверх­ностного слоя должна быть не менее 60 HRС; балл неметаллических включений должен быть не более второго; допускается малая склонность стали к отпуск-вой хрупкости). Верхняя граница свойств задается, исходя из требований нормативной документации, либо из соображений целесообразности (например, верхнее значение предела прочности стали для изготовления ответственного крепежа вряд ли может составлять более 3000 МПа). В качестве верхней границы свойства можно принять его наилучшее значение для всей группы материа­лов данного назначения.

В диапазоне значений свойств от нижней до верхней границы для каждого конкретного значения свойства рассчитывают пропорциональное кодированное значение у'. При значениях кодированного свойства от 0 до 3 определяется функция желательности, которая изменяется в пределах от 0,37 до 1,00, Обоб­щения функция желательности Dпо всей совокупности анализируемых свойств рассчитывается по формуле: 6.2

Лучшим комплексом свойств обладает материал, характеризующийся мак­симальным значением D.