Статья: Выбор материала для деталей машин и конструкций

Теоретические основы выбора материала

Цель выбора материала, при разработке изделия, заключается в сведении к минимуму затрат при достижении требований к детали, которые зависят от ее назначения и условий эксплуатации. Например, детали теплообменного аппарата, разделяющего среды, должны обладать высокой теплопроводностью, для максимизации процессе передачи тепла, а также иметь низкую себестоимость, чтобы аппарат был конкурентоспособным. Для этого необходимо чтобы разработчик владел достаточными знаниями о свойствах различных материалов и особенностях их поведения при эксплуатации. Методика выбора материалов для изделия по нескольким критериям является более сложной, чем по одному. Например, для изделия, к которому предъявляются такие требования, как жесткость и легкость, необходим материал с низкой плотностью и высоким уровнем упругости.

Одним из инструментов, используемым при выборе материала, является диаграмма Эшби. Такие диаграммы применяются для сравнения соотношений различных свойств материалов. Пример такой диаграммы изображен на рисунке ниже. Она показывает соотношение модуля упругости с плотностью, а разными цветами на ней показаны классы материалов.

Рисунок 1. Диаграмма Эшби.

При построении диаграммы Эшби для нескольких материалов определяются три набора переменных:

1. Свободные переменные - величины, которые могут изменяться в процессе проектирования, например, когда в техническом задании не определена длина балки.
2. Переменные материала - свойства, которые присущи материалу, например, плотность, предел текучести и т.п.
3. Фиксированные переменные - ограничения, которые налагаются на готовую конструкцию (например, строго определена толщина балки).

Особенности выбора материалов для деталей машин и конструкций

Выбор материала для конструкций и деталей машин определяется требованиями к изделию, которые зависят от назначения условий эксплуатации, а также технологических свойств материала с учетом возможностей производства. Технологические свойства выбранного материала определяют возможность получения деталей оптимальной формы и размеров деталей соответствующими, массой, шероховатостью и прочностью. К технологическим свойствам материала также относятся изменение свойств при различных способах обработки или изменения формы, обрабатываемость резанием и литейные свойства. При этом такие показатели, как трудоемкость и стоимость производства должны быть минимальными. К основным характеристикам и свойствам материалов, на которые обращают внимание при их выборе для изготовления конструкций и деталей машин относятся:

1. Прочность. Показателями данной характеристики являются текучесть, выносливость, предел прочности и предел ползучести для жаропрочных материалов, который характеризует деформацию за определенный промежуток времени.
2. Жесткость, которая определяется модулем упругости.
3. Контактная выносливость. Данный параметр характеризуется пределом контактной выносливости для базового числа циклов перемены напряжения и твердостью поверхности по Роквеллу или Бринеллю.
4. Пластичность, которая определяется относительным сужением и удлинением.
5. Ударная вязкость. Данный параметр характеризуется отношением работы по разрушению образца определенного поперечного сечения к площади такого сечения в месте надреза.
6. Износостойкость. Одним из важнейших показателей данного параметра является интенсивность изнашивания.
7. Фрикционные свойства. Данные свойства характеризуются скоростью скольжения, коэффициентом трения и допустимым давлением.
8. Плотность.
9. Надежность. Данное свойства заключается в способности материала противостоять хрупкому разрушению.
10. Долговечность. Данное свойство заключается в способности материала сопротивляться постепенному разрушению. Оно оценивается временем, в течении которого деталь сохраняет свою работоспособность.
11. Удельная прочность.
12. Удельная жесткость.
13. Теплопроводность.
14. Теплостойкость.
15. Хладноломкость.

При изготовлении деталей машин общего назначения в большинстве случаев используются черные металлы, к которым относятся сплавы железа, а также сплавы, состоящие легирующих составляющих и железа, содержание которого менее 50 %. В качестве легирующих элементов могут быть использованы молибден, ванадий, хром, марганец, никель, кремний, бор, титан, вольфрам и алюминий. В некоторых случаях используют сплавы цветных металлов. Для конструкций современных летательных аппаратов применяются легкие сплавы, основой которых являются алюминий, магний, титан и его сплавы, композиционные материалы, керметы и пластмассы.