Общие сведения по выбору материалов

Современное материаловедение представляет широкие возможности в отношении выбора машиностроительных материалов и соответствующих упрочняющих обработок. Могут быть различные инженерные решения по этому вопросу. Как правило прорабатывается несколько вариантов выбора вида материалов и конкретных марок. Типовые примеры по выбору металлических материалов в машиностроении приведены в соответствующей литературе. При решении вопросов выбора материалов необходимо принимать во внимание целый комплекс различных требований:

Эксплуатационные требования

Материалы должны удовлетворять условиям работы деталей в данной машине, обеспечивать необходимую прочность, вязкость, износостойкость, коррозионную стойкость, надежность, долговечность и т.д. в соответствии с техническими требованиями на изделия по ТУ.

Технологические требования

К материалам предъявляются требования технологичности при изготовлении заготовок деталей машин и их дальнейшей обработке (хорошие литейные свойства при использовании способов литья, пластичности для обрабатываемых давлением материалов, обрабатываемость резанием, прокаливаемость, закаливаемость, свариваемость, эластичность и т.д.)

Экономические требования

При выборе учитывают затраты на приобретение материалов, изготовление изделий, эксплуатационные затраты, требования утилизации отходов и др.

В зависимости от применяемого материала и условий работы изделий анализируются различные показатели, характеризующие данную конкретную разновидность материала. Так, для термопластов учитывают способность к вынужденной высокоэластичной деформации и температурные интервалы различных физических состояний. В случае применения таких хрупких при комнатных температурах материалов, как конструкционная керамика, высокопрочные мартенситно-стареющие стали и др., необходимо учитывать величину показателя вязкости разрушения К₁с (трещиностойкость).

Следует также принимать во внимание, что выбор материала в значительной мере предопределяет технологические процессы упрочняющей термической обработки и наоборот. Так, для изделий изцементуемых низкоуглеродистых сталейупрочнение обеспечивается проведением цементации, закалки и низкого отпуска. Для деталей из среднеуглеродистых улучшаемых сталей типовая окончательная термическая обработка включает закалку и высокий отпускГрамотное решение вопросов выбора материалов возможно лишь при глубоком усвоении студентом предшествующих дисциплин по сопротивлению материалов, основам проектирования и конструирования машин, материаловедению и свойствам материалов.

ПРИМЕР. Задание

Выбрать марку стали для зубчатых колес фрезерного станка. Рабочее сечение (максимальное) равно 70 мм, глубина поверхностного упрочняемого слоя 1,6-1,8 мм; твердость НRС 58-62; предел текучести сердцевины не ниже 1000 МПа. Производство среднесерийное.

Решение. Как видно, необходимо применить один из способов поверхностного упрочнения. К основным таким способам в машиностроительной промышленности относятся поверхностная индукционная закалка, цементация или нитроцементация с последующей упрочняющей термической обработкой, реже азотирование. Исходя из заданной глубины упрочняемого слоя и механических свойств с учетом сечения детали могут быть применены цементация или нитроцементация, которые рекомендуются в станкостроении для зубчатых колес.

Для заданного рабочего сечения возможно использование хромомарганцевых сталей с дополнительным легированием марок 25ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГМ. Далее необходимо принять условия проведения цементации. При достаточно большом объеме производства обычно используют газовую цементацию в эндогазе. Это позволяет автоматически регулировать заданную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя (углеродный потенциал) по температуре точки росы атмосферы (влажности газа).

Использование при цементации в эндогазе сталей 25ХГТ или ЗОХГТ приводит к внутреннему окислению легирующих элементов. Вследствие уменьшения содержаниялегирующих элементов возрастает критическая скорость закалки и, соответственно, снижается прокаливаемостьиуменьшается предел выносливости. Вредное влияние внутреннего окисления устраняет дополнительное легированиемолибденом, который увеличивает прокаливаемостьстали. Таким образом, целесообразнее из вышеперечисленных талей применить сталь марки 25ХГМ.

На основании проведенного анализа назначаем для зубчатых колес фрезерного станка легированную цементуемую сталь 25ХГМ,рекомендуемую для деталей с максимальным рабочим сечением 60-80 мм. Зубчатые колеса подвергаются цементации в эндогазе, закалке, низкому отпуску. После термической обработки сердцевина деталей из стали 25ХГМ имеет пределтекучести 1100 МПа и предел прочности при растяжении 1200 МПа.

Подробно вопросы о назначении тех или, иных материалов рассматриваются в специальном курсе "Выбор материалов и технологий в машиностроении" (10 семестр). Эти вопросы применительно к конкретным типовым деталям машиностроения излагаются в курсе "Основы проектирования и конструирования машин" (смотри, например, следующий учебник: Иванов М.Н. Детали машин. – М.: Высшая школа, 1991. -383 с.).