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∙105 МПа), 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).
Рис. 1. Блок-схема выбора материала и технологии его обработки для деталей в машиностроении