Сравнительная оценка по свойствам

К числу оценочных показателей следует отнести служебные показатели и стоимость материалов во взаимосвязи с их физико-механическими свойствами. Из числа последних выбираются показатели, влияющие на работоспособность объектов (ГОСТ 15467-79).

Для конструкционных материалов это чаще всего характеристики прочности или жесткости, а также допустимой деформации. Соответственно этому проведем для примера сравнительную оценку по прочностным характеристикам. С этой целью сопоставим количественные уровни соответствующих показателей, взятые из справочников, ГОСТов и других нормативно-технических документов. Но такое сравнение не может в полной мере определить целесообразность использования того или иного материала, так как указанные показатели никак не связаны с массой, а именно она определяет материалоемкость деталей.

Так, термообработанная сталь 30ХГС по значению предела прочности cжав = 1100 МПа превосходит состаренный сплав Д16 = 480 МПа, но плотность стали 7,8, а сплава 2,8 т/м3. Для учета этой разницы часто пользуются относительной (удельной) величиной /pg (р - плотность); в этом случае для указанных материалов соответственно получаем 14,4 и 17,5 км (разрушающая длина стержня под действием собственного веса). С учетом плотности, следовательно, сплав оказался лучше стали. В табл. 4 для примера приведены характеристики удельной прочности K0 некоторых, в том числе различных по природе материалов.

Необходимость учитывать плотность материала особенно заметна при сопоставлении материалов с различной полностью. Так, титановый сплав ВТ-22 по удельной прочности более предпочтителен, чем сталь повышенной прочности 30ХГСН2А, а полимерные композиционные материалы-волокниты превосходят по удельной прочности даже высокопрочную мартенситно-стареющую сталь.

Таким образом, сравнительную оценку материалов с различной плотностью надо производить по удельным показателям (в данном случае - по удельной прочности).

Вместе с тем, и такая оценка не является исчерпывающей, потому что при ней не учитывается однородность материала (разброс свойств); она обусловливается технологией производства и, как правило, неодинакова у различных материалов. В целях учета различий в однородности материалов их сравнительная оценка должна производиться по критерию, связанному с надежностью предполагаемой детали (изделия) [14]. Характер этого критерия зависит от распределения рассматриваемого показателя свойств.

Для случая нормального распределения в применении к какому-либо показателю качества X он имеет вид:

а для предела прочности:

где U - параметр центрированной нормированной функции распределения;

Vx,Va - коэффициенты вариации.

Из этой зависимости видно, что оценка по удельной прочности без учета надежности справедлива лишь при условии полной однородности, т. е. отсутствия разброса свойств в материале

Результаты расчетов по указанному критерию для некоторых материалов приведены в той же табл. 4. Назовем полученные оценки удельными с учетом надежности (в данном случае удельная прочность с учетом надежности). Полученные оценки отличаются от соответствующих оценок без учета надежности, и тем сильнее, чем больше разброс свойств. Это заметно уже при сравнении сталей. Так, сталь 18Х2Н4МА по удельной прочности без учета надежности превосходила сталь 30ХГСА, а с учетом - уступает ей (при Р = 0,999).

Более характерно это, однако, для сравнения металлических материалов с неметаллическими, отличающимися большей неоднородностью свойств. Так, эпоксистеклотекстолиты при прочности 400 МПа по удельной прочности превосходят сплав Д16 (20,4 вместо 17,5 км), а с учетом надежности даже при Р= 0,977 уступают ему (15,91 и 16,66). Вместе с тем надо отметить, что наибольшей удельной прочностью, несмотря на разброс свойств, обладают полимерные композиционные материалы типа СВАМ, стекло-, карбо- и борволокниты.

Вопросы сравнения материалов рассмотрены применительно к прочности. Однако так можно поступать и применительно к другим показателям механических свойств, в частности к модулю упругости. Полезным может оказаться такой подход и к сравнению по физическим свойствам материалов.

Заметим также, что если в процессе эксплуатации предполагаемых изделий возможны изменения свойств материала, то надо прежде всего оценить эти изменения по соответствующим зависимостям и, приняв полученные оценки за исходные, провести сравнительную оценку материалов по предлагаемой схеме.

Таблица 4. Удельная прочность материалов

Материал (марка)	МПа			%	Термическая обработка
Р = 0,977 (U=2)	P= 0,999 (U=3)
Стали: 30ХГСА		14,1	12,27	11,35	6,5	Закалка 880 °С, отпуск 540 °С
30ХГСН2А		21,2	19,08	18,02	5,0	Закалка 900 °С, отпуск 200 °С
18Х2Н4МА		14,8	12,43	11,25	8,0	Закалка 880 °С, отпуск 200 °С
Н18К9М5Т		26,4	23,76	22,44	5,0	Закалка 820 °С, отпуск 500 °С
Сплавы: ДТ6		17,5	16,66	16,24	2,4	Закалка 500 °С, старение 7 сут
В95		21,9	20,32	19,53	3,6	Закалка 480 °С, старение 140 °С
0Т4		18,1	16,27	15,34	5,1	Отжиг 750 °С
ВТ22		24,7	21,93	20,55	5,6	Отжиг 760 °С
Полимерные композиты: Эпоксистеклотекстолиты		20,4	15,91	13,67
(типа КАСТ, ВФТС)		30,6	23,87	20,50
Стекловолокниты		20,4	14,28	11,22
(типа АГ-4)		40,8	28,56	22,44
CBAM:
1:1		25,5	19,89	17,09
1:10		48,9	41,08	37,16	8,0
Эпоксикарбоволокнит (типа КМУ-IV на основе углеродного жгута)		54,7	38,29	30,09

Таким образом, сопоставление конструкционных материалов по удельным показателям физико-механических свойств в общем случае должно производиться с учетом их разброса и уровня надежности предполагаемых изделий. При сравнении же между собой материалов с одинаковым разбросом свойств можно ориентироваться на показатели удельной прочности без учета надежности.

Для инструментальных материалов при оптимизации их выбора методом сравнения в качестве оценочной принимаются показатели 60-минутной скорости резания при точении эталонной стали 45 с пределом прочности 650 МПа и твердостью 179 НВ (глубина резания 1,5 мм, подача 0,2 мм/об., главный угол в плане резца 60°) применительно к различным уровням теплостойкости. Наиболее полной оценкой работоспособности при этом будет экспериментальная функция зависимости 60-минутной скорости от температуры испытания; для приближенной же оценки можно воспользоваться экспериментальной функцией зависимости твердости от температуры испытания.