Выбор материала

Вопрос о выборе материала может быть решен при комплексном рассмотрении требований к механическим и эксплуатационным характеристикам изделия (детали), сложности и технологичности конструкции и доступности самого материала.

К эксплуатационным требованиям относятся:

– характер и вид нагрузки;

– требования по износостойкости рабочих поверхностей;

– коррозионная стойкость;

– тепло- и жаростойкость;

– особые физические свойства (магнитные, электрические, теплопро­водность, коэффициент термического расширения и др.).

Соответствие характеру и виду нагружения обеспечивается определенными механически­ми свойствами. Так основными характеристиками материала при статичес­ких нагрузках являются предел прочности σ_В, предел текучести σ_Т или σ₀₂, пластичность (δ, ψ) и твердость, при динамических ударная вязкость КС, а так­же предел выносливости σ_-1. Наибольшее распространение из конс­трукционных материалов получили сталь и чугун.

Сталь характеризуется широкими пределами прочностных свойств, а также пластичности и вязкости. Эти свойства сравнительно легко обес­печиваются соответствующим химическим составом (маркой стали) и раз­личными способами упрочнения, как по всему сечению, так и на поверх­ности. Выбор химического состава и вида термической обработки опреде­ляются требуемым уровнем механических свойств, размерами сечения и габаритами детали, а также эксплуатационными требованиями, определяю­щими условия работы (температура, рабочая среда, особые физические свойства). Дополнительные свойства отдельных частей или поверхнос­тей детали, чаще всего вызванные требованиями износостойкости, контак­тной прочности и т.п., обеспечиваются специальными методами упрочне­ния (ХТО, поверхностная закалка, покрытия и др.). Если дополнительные требования относятся ко всем поверхностям деталей, то они обеспечиваются соответствующими видами сталей. Рекомендации по выбору марок сталей, видов упрочнения и способов обеспечения требуемых эксплуатационных свойств, а также химический состав и свойства, приведены в учебнике [1], справочниках и пособиях [2, 3].

Чугуны в основном имеют более узкие пределы механических свойств. Так прочность (σ_В) серых чугунов редко превышает 350…400 МПа при почти нулевой пластичности; у ковких чугунов колеблется в пределах 300…800 МПа при относительном удлинении до 10-12 %. Несколько ближе по прочностным характеристикам к сталям при­ближаются высокопрочные чугуны (σ_В до 1000 МПа), но они имеют не­сколько пониженную ударную вязкость, а относительное удлинение их не превышает 20 %. Широкое применение чугунов для деталей машин связано с их более высокой по сравнению со сталью технологичностью и некоторыми эксплуатационными свойствами (антифрикционными свойствами, износостойкостью, демпфирующей способностью, меньшей зависимостью от концентраторов напряжений и др.). Рациональное применение чугунов обеспечивает также снижение металлоемкости конструкций. Благодаря демпфи­рующей способности (т.е. способности материала поглощать или гасить колеба­ния и вибрацию) чугуны широко применяются для базовых деталей (станины, корпуса, ступицы, основания, крышки и т.д.). Кроме того стоимость чугунов ниже стоимости сталей. Дополнительные эксплуатационные требования к деталям из чугуна обычно обеспе­чиваются применением чугунов соответствующего вида (износостойкие, антифрикционные и т.д.). Термическая обработка с целью повышения свойств в основном используется для высокопрочных чугунов. Виды чугу­нов, их характеристика, химический состав и области применения рас­смотрены в учебнике [1] и справочниках [2,4]. Рекомендации по выбору марки чугуна и его химического состава наиболее полно даны в пособии [5].

На втором этапе выбора материала, учитывая его технологические свойства, оценивают техническую и технологическую возможность и целе­сообразность получения данной детали из выбранно­го материала. Под технологическими свойствами понимают свойства, обеспечивающие возможность и минимальную трудоемкость получения детали в соответ­ствии с её техническими требованиями. К технологическим свойствам от­носятся: литейные свойства, способность к пластической деформации, свариваемость, закаливаемость и прокаливаемость, обрабатываемость ре­занием.

К литейным свойствам относятся: жидкотекучесть, линейная и объем­ная усадка, температура заливки. Жидкотекучесть – способность расп­лавленного металла заполнять полость литейной формы. Наибольшей жид­котекучестью обладают эвтектические и близкие к ним сплавы, хорошей – сплавы, имеющие небольшой интервал температур ликвидус–солидус. Сплавы с хорошей жидкотекучестью позволяют получать отливки или дета­ли с меньшей толщиной стенки, сложной конфигурации, меньшей металло­емкости. Линейная и объемная усадка образуются вследствие различия в объемах жидкого и затвердевшего металла и характеризуются уменьше­нием размеров (линейная усадка) и наличием усадочной пористости или усадочной раковины в местах, в которых расплав затвердевает последним (объемная усадка). Сплавы, склонные к образованию объемной усадки, требуют применения специальных технологических элементов (прибылей), позволяющих полу­чать плотные заготовки. Установка прибылей повышает расход металла и снижает процент выхода годного металла.

Температура заливки жидкого металла в форму влияет на общую трудо­емкость и энергоемкость процесса. Чем ниже температура заливки, тем меньше энергетические и материальные затраты на плавку металла, ниже трудоемкость технологического процесса получения заготовки. Чугун по сравнению со сталью обладает высокой жидкотекучестью, пониженной тем­пературой заливки. Серый чугун не образует усадочной раковины и не требует установки прибылей.

Способность металлов воспринимать пластическую деформацию оценива­ют по их пластическим свойствам в нагретом и холодном состояниях. Кри­терием высокой деформируемости сплавов является отношение σ₀₂ / σ_В. Серые чугуны обладают нулевой пластичностью (σ₀₂ / σ_В  » 1), стали высокой штампуемости — σ₀₂ / σ_В = 0,5…0,65 [2]. Пластичность ковких и высокопрочных чугунов также не позволяет использовать их для получения заготовок методами пластической деформации.

Обрабатываемость материалов резанием является одним из основных требований, так как в настоящее время очень мало методов получения заготовок, обеспечивающих требуемые точностные характеристики и шеро­ховатость рабочих поверхностей. Обрабатываемость резанием зависит от химического состава, твердости и прочности. Хорошо обрабатываемые стали и чугуны должны иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную структуры с твердостью до 240 НВ. Наличие других структурных составля­ющих (кроме графита) или легирующих элементов ухудшают обрабатывае­мость резанием. При твердости до 240…340 НВ сплавы имеют плохую обрабаты­ваемость резанием, а при большей твердости обработку можно вести толь­ко твердыми и сверхтвердыми инструментальными сплавами или абразивными материалами. Сплавы с твердостью выше 340 НВ считаются труднообра­батываемыми.

Свариваемость - свойство металлов и сплавов образовывать неразъ­емные соединения, соответствующие качеству основного (свариваемого) металла. Хорошей свариваемостью обладают стали с содержанием углерода до 0,3 %. Сварку сталей с большим содержанием углерода и сварку чугу­нов ведут только с применением дополнительных технологических опера­ций (подогрев, проковка, термическая обработка) или специальных тех­нологий.

Важной технологической характеристикой является способность спла­ва менять свои свойства при термической обработке. Термообрабатывае­мость сталей и чугунов характеризуется прокаливаемостью и закаливае­мостью. Параметр прокаливаемости определяется по кривым прокаливае­мости или таблицам прокаливаемости [2,3].

Износостойкость – способность материала противостоять потере вещества при воздействии сил трения. Различают абразивную, усталостную износостойкости и износостойкость в условиях трения.

Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию, должны обладать высокой твердостью и прочной матрицей. Этим требованиям удовлетворяют износостойкие стали, белые чугуны и карбидные сплавы, наплавочные ма­териалы, твердые сплавы и др.

Конструкционные стали и графитизированные чугуны применяют в ус­ловиях изнашивания при граничной смазке (износ в условиях трения). Лучшей износостойкостью в этом случае обладают сплавы с низким ко­эффициентом трения (антифрикционные чугуны, графитизированные стали, антифрикционные цветные сплавы). Для повышения износостойкости конст­рукционных сталей и чугунов применяют различные методы поверхностного упрочнения, включая покрытия, наплавку. Более подробно методы упроч­нения изложены в справочнике [2] и специальной литературе. Выбор из­носостойких сталей и чугунов рассмотрен в пособиях [3,5].

На заключительном этапе выбора материала желательно оценить дос­тупность, стоимость, безопасность и экологичность выбранного материа­ла и технологических процессов его использования.

После выполнения раздела “выбор материала” результаты выбора дол­жны быть сведены в таблицы, в которых отражается марка, ГОСТ или ТУ, химический состав, механические, технологические свойства выбранного материала в состоянии поставки и состоянии применения. Данные по технологическим свойствам приведены в литературе [2,7].