Расчёт деталей и узлов металлургических машин
Е.А. Свистунов, Н.А. Чиченев
Металлургия, 1985 г.
МАТЕРИАЛЫ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
3.1. Общие сведения
Выбор материала и термообработки деталей машин является ответственным этапом в процессе их проектирования и должен основываться на полном знании физико-механических и технологических свойств конструкционных материалов с учетом их стоимости. При выборе материала для проектируемой детали необходимо учитывать следующие общие требования, которые можно условно разделить на три больших группы — эксплуатационные, экономические и технологические.
Эксплуатационные требования зависят от условий работы детали, и их выполнение определяется свойствами материала, основными из которых являются:
1) объемная прочность, характеристиками которой могут быть временное сопротивление , предел текучести , предел выносливости ;
2) поверхностная прочность и износостойкость, характеризуемые величиной твердости поверхности по Бринеллю НВ или Роквеллу HRCи допускаемым удельным напряжением ;
3) жесткость, характеризуемая величиной модуля упругости
4) ударная вязкость KCUили KCV, под которой понимают отношение работы удара к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора;
5) весовые характеристики материала, показателями которых являются удельная прочность σΒ/γ, удельная выносливость σι/γ, удельная жесткость Е/уи т.п. (где γ — плотность материала);
6) прочие свойства, показателями которых могут быть упругость, антифрикционность, электропроводность, коррозионная стойкость, теплопроводность и т. п.
Экономические показатели материала определяются его себестоимостью и дефицитностью. Отметим, что стоимость материала составляет значительную часть стоимости машины.
Технологические требования к материалу тесно связаны с формой и способом обработки детали. К технологическим свойствам относят способность к пластическому формообразованию (ковкость, штампуемость, прокатываемость и т.п.), обрабатываемость резанием, литейные качества (жидкотекучесть, тугоплавкость, усадку), способность изменять свои свойства при термической обработке, свариваемость и др. Ввиду различных затрат на подготовку производства одни технологические процессы обработки материалов (литье, штамповка, прессование, прокатка) экономически выгодны при массовом и крупносерийном производстве, а при индивидуальном и мелкосерийном производстве часто нерентабельны и поэтому заменяются механической обработкой.
При изготовлении деталей металлургических машин наибольшее применение находят черные металлы, подразделяемые на чугуны и стали. Широкое распространение черных металлов объясняется их большой прочностью и жесткостью, а также сравнительно невысокой стоимостью. Основными недостатками являются их большая плотность и недостаточная коррозионная стойкость. Цветные металлы (А1, Сu, Snи др.) и их сплавы дороже черных и используются главным образом там, где необходимы легкость, антикоррозийность и антифрикционность. Пластмассы (капрон, тефлон, текстолит идр.) обладают рядом ценных свойств и находят все большее применение вновых конструкциях. Например, из стекло- ; пластиков изготовляют корпуса машин, крышки, кожухи и т. д., из текстолита — зубчатые колеса и вкладыши тяжелонагруженных подшипников скольжения, из хлорвинила и фторопласта — уплотняющие устройства ит. п. Основным недостатком пластмасс, сдерживающим их широкое применение, является склонность к старению, в результате которой изменяются механические характеристики и размеры деталей в процессе эксплуатации.
Поскольку при выборе материала необходимо учитывать одновременно несколько свойств, то для удобства анализа можно рекомендовать использование полярных диаграмм или «прямоугольников» свойств. Совмещая полярные диаграммы нескольких конструкционных материалов, легко сопоставить иоценить материалы по совокупности ряда механических характеристик (рис. 3.1). Выбор характеристики для оценки конструкционной прочности металла зависит от условий работы и предельного состояния детали. Нарушение прочности может происходить либо вследствие разрушения (усталостного, статического отрыва или среза), либо из-за больших пластических деформаций при текучести или ползучести, либо в результате износа, коррозии или потери устойчивости. Часто о правильности выбора критериев оценки конструкционной прочности материалов судят по сходству изломов, полученных в условиях эксплуатации и при лабораторных испытаниях. Диапазоны изменения некоторых механических характеристик для различных металлов и температурные области их эксплуатации показаны на рис. 3.2—3.4.
При сравнении деталей по прочности, жесткости и массе, изготовленных из различных материалов, различают четыре основных случая (табл. 3.1). Если массы одинаковы, прочность их пропорциональна величине στ/γ, а жесткость приблизительно одинакова для различных металлов (кроме чугунов). Для равнопрочных деталей наибольшей жесткостью отличаются детали из наименее прочных металлов: серых чугунов, углеродистых сталей, алюминиевых и магниевых литейных сплавов. Отсюда следует, что при использовании высокопрочных материалов необходимо учитывать уменьшение жесткости детали. Если жесткость деталей одинакова, то их массы приблизительно равны (кроме серых чугунов), а прочность выше у материалов с более высокими удельными показателями прочности (сплавов титана и сверхпрочных сталей).
Масса конструкции при прочих равных условиях определяется двумя факторами: плотностью γ и механическими характеристиками применяемого материала. Для оценки выгодности материала по массе вводят удельные показатели прочности и жесткости (табл. 3.2).