Общие требования к материалам и методологические принципы принятия решения при выборе материалов и технологий для деталей машин, конструкций и инструментов

ВВЕДЕНИЕ

Решение проблемы увеличения ресурса и надёжности машин при одновременном снижении их металлоёмкости возможно лишь при соединении усилий конструкторов и инженеров-расчётчиков, владеющих современными методами определения прочности, надёжности деталей машин, и грамотных материаловедов-технологов, знающих, как подобрать состав материала и технологию изготовления детали, чтобы получить нужную структуру и комплекс свойств для обеспечения расчётных эксплуатационных параметров деталей и узлов машин.

Одна из основных задач и профессиональная обязанность материаловеда технолога – уметь технически грамотно и обоснованно решать задачи по выбору материала для конкретных деталей и технологии их обработки.

Как правило, при этом не может быть однозначного и простого решения, поскольку помимо необходимости обеспечить прочность, надёжность и долговечность детали с учётом специфических условий её службы (температура, среда, скорость нагружения, материал пары трения и т.п.), важно ещё предусмотреть по возможности простой технологический процесс, учесть экономические соображения.

Единых принципов и чётких правил действий разработчиков машин при выборе марки материала пока не существует, поэтому каждый конструктор решает эту задачу со многими переменными в зависимости от своего опыта и знаний, которые не всегда достаточны. Решение при этом имеет априорно–интуитивный характер, основанный на опыте, интуиции и предпочтении специалистов, что не всегда позволяет находить оптимальные решения. Ошибки в результате такого выбора материала не столь уж редки, что может привести к нежелательным или даже опасным последствиям – к преждевременному износу или даже поломке детали.

Обычно задание на выбор материала и технологии его обработки исходит от конструктора, который формирует перечень требуемых эксплуатационных и технологических показателей (в виде цифр и пожеланий). Однако подобные формулировки практически всегда оказываются неполными, а иногда и не со всем точными. Поэтому материаловеду зачастую приходится решать такую задачу в ситуации неполного знания об условиях работы данной детали и об уровне потребительских свойств материала.

В настоящее время существует ряд компьютерных баз данных по свойствам стандартных материалов, включённых в ГОСТы, которые облегчают формальный поиск материала (чаще всего по показателям механических характеристик). Однако использование этого метода также может привести к неоптимальному решению, так как весьма трудно учесть множество разнонаправленных факторов, которые в совокупности определяют соотношение качества и цены изделия, обуславливающих его конкурентоспособность.

Например, приблизительно равного комплекса механических свойств путём соответствующей термообработки можно достичь на сталях разных марок с различным характером легирования и, как следствие, с резко различающимися технологическими, физико-химическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками. Поэтому пользователями подобных баз данных должны быть квалифицированные, опытные материаловеды, способные принять компетентное, альтернативное, компромиссное решение.

https://www.totalmateria.com – база данных материалов от металлов до композитов.

https://www.machinery.ascon.ru/ – база данных, которую можно интегрировать в СAD программу.

https://www.campusplastics.com/ -база данных по полимерным материалам.

https://www.comparisonofmetals.com/ – online - база данных металлов таблицы Менделеева. Дается характеристика как физико-механических, так и других свойств различных металлов. Можно запрашивать сравнительную характеристику нескольких металлов.

https://www.manual-steel.ru/ – обширная online - база данных по чугунам и конструкционным сталям. Незаменима для конструктора-проектировщика благодаря хорошей структурированности и простоты оформления сайта. Содержит информацию о физико-механических свойствах только по черным металлам.

https://www.tehtab.ru/ – содержит много информации, которая может быть использована конструктором. Содержит физико-механические свойства сталей, чугунов, сплавов, таблицы соответствия сталей по стандартам разных стран и др.

https://www.rst-wire.de/ –содержит обширную информацию по проволоке из различных сплавов, различной формы поперечного сечения, физико-механические свойства проволоки, соответственно можно применять эти данные относительно сплавов.

https://www.haraldpihl.de/ – содержит много информации по сплавам, а так же их соответствие по международному и европейскому стандарту, к сплаву есть возможность скачать с сайта PDF файл с подробным описанием физико-механических свойств (но не для каждого сплава).

https://www.plastinfo.ru/ – содержит обширную online-базу по полимерам.

https://www.hug-technik.com/ – немецкая шпаргалка для конструкторов. Содержит информацию о физико-механических свойствах различных материалов, в том числе сплавов, композитов, сталей.

https://www.keramverband.de/ – база данных по керамике. Помимо физико-механических свойств даны данные по применению и др.

http://www.gsssd-rosatom.mephi.ru/index.php государственная служба справочных данных в области использования атомной энергии

http://материаловед.рф – федеральный сайт для преподавателей и научных сотрудников, преподающих и ведущих научные разработки в области « Материаловедения ».

http://www.atm-m.ru – сайт ведущего производителя оборудования по металлографии.

http://lib-bkm.ru – Библиотека машиностроителя.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ПРИ ВЫБОРЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, КОНСТРУКЦИЙ И ИНСТРУМЕНТОВ

Одна из основных задач, которую должен решить конструктор или технолог, – выбор материала для конкретной детали. При этом не может быть однозначного и простого решения, так как при выборе марки материала необходимо обеспечение в первую очередь прочности, надёжности и долговечности детали; кроме того, следует учитывать технологию изготовления, экономию металла, специфические условия службы детали (температура, среда, скорость нагружения и т. п.).

Отправной точкой при решении задачи выбора материала служат конструктивные параметры детали (форма и размеры) и условия её работы, в первую очередь действующее на деталь усилие.

Размеры детали в значительной степени определяются габаритами машины и местом, которое отведено для помещения данной детали. Конечно, при этом возможны различные варианты, вплоть до пересмотра конструктивного решения всей машины. Предположим, что чисто конструктивно оптимальное решение найдено.

Если сила, воздействующая на деталь, известна (или должна быть известна, так как в противном случае поиск значительно усложняется) и размеры детали (хотя бы приблизительно) тоже определены, то с той или иной степенью точности (чем сложнее конфигурация изделия, тем эта точность меньше) можно определить уровень напряжений в наиболее опасных сечениях. Так как модули упругости для всех сталей практически одинаковы (Е = 2∙10⁶ МПа, G = 0,8∙10⁵МПа), то можно подсчитать (если это невозможно, то необходимо провести натурные испытания) упругую деформацию при максимальной нагрузке. Если она находится в допустимых пределах, то следует перейти к основному вопросу – выбору марки материала, а если нет, то необходимо изменить конфигурацию детали – увеличить сечение, ввести ребра жёсткости и т. п. Важно иметь в виду, что путём подбора марки стали упругую деформацию уменьшить невозможно.

На рис. 1. представлена схема, иллюстрирующая канонический алгоритм решения материаловедческой задачи по выбору материала и технологии его получения и обработки. В зависимости от назначения и условий эксплуатации подбирается соответствующий материал по химическому составу, а также приемлемая технология его обработки. Формирующаяся в результате этого структура обеспечивает соответствующий комплекс свойств. Сравнение того, что получено (конкретный набор сформированных свойств y i), с тем, что нужно получить (заданные параметры служебных характеристик [ y i]), и позволяет сделать заключение о конечном результате – выбран подходящий материал и технологический способ его обработки или же поиск следует продолжить, изменив исходные параметры (т.е. назначив иную технологию для уже выбранного материал либо поступив более радикально – заняться подбором иного материала и соответствующей ему обработки).