Общие принципы выбора материалов

«У природы нет плохой погоды…». Перефразируя слова известной песни, можно сказать, что плохих материалов не бывает, а бывают плохие инженеры, применяющие не те материалы, которые следовало бы использовать в данных конкретных условиях эксплуатации. Следствием неправильного выбора материалов является плохое качество конструкций, машин и оборудования.

Нередко эти условия являются очень специфичными: низкие или высокие температуры, агрессивные химические среды, знакопеременные циклические нагрузки, особые условия трения и др. Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия перечисленных выше факторов. Поэтому при выборе материала, в первую очередь, требуется всестороннее рассмотрение условий его работы и проведение ранжирования факторов, воздействующих на материал по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие – по возможности. Так, например, при выборе сталей и сплавов для ГТД (газовых турбинных двигателей) и сопел ракет, работающих в активных газовых средах, следует учитывать влияние высоких температур, коррозионного растрескивания, питтинговой коррозии, коррозии под напряжением, водородного охрупчивания, эрозии и общей коррозии. Последний фактор, как менее значимый, можно учитывать по возможности.

Следующим этап выбора – определение комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, то необходимо рассматривать всю гамму свойств, особенно если в конструкции должны работать разные материалы.

К сожалению, часто комплекс требуемых свойств материала, оформленных в виде технических требований или технических условий, составляется на основе приблизительных качественных данных или на опыте предыдущей эксплуатации аналогичного или схожего изделия или конструкции. Более правильным является формирование требований к материалу на основании моделирования реальных условий эксплуатации с использованием специальных стендов, на которых с помощью тензометрирования можно определять уровень локальных напряжений в изделии.

В том случае, когда нет возможности для стендовых испытаний, следует использовать расчетные методы.

Ниже представлена взаимосвязь между свойствами материала, геометрией проектируемого изделия и производственными возможностями конкретного предприятия.

Свойства материала:

- свойства;

- обрабатываемость;

- окружающая среда;

- жизненный цикл;

- стоимость.

Геометрия проекта:

- нагрузки;

- окружающая среда;

- выбор материала;

- технологичность;

- количество;

- жизненный цикл;

- упаковка;

- масса;

- внешний вид.

Характеристики производства:

- оборудование;

- эффективность;

- конфигурация;

- инструменты;

- стоимость.

Конструктор должен ясно представлять себе причины использования выбранного материала, возможности его замены, технологические особенности производства изделий из него и методы контроля готовых изделий.

Однако для целого ряда изделий новой техники, особенно специального назначения, приходится разрабатывать принципиально новые материалы с более высоким комплексом свойств. В этом случае должен использоваться принципиально новый методологический подход к определению материалов для такой техники. Этот подход объединяется в систему исследований, испытаний, разработок термином «инжиниринг материалов». Особенностью этого метода является совокупность материаловедческих, технологических и производственных аспектов, реализация которых гарантирует обеспечение требуемого уровня служебных свойств материала и его надежность.

Схема разработки новых материалов по системе

«Инжиниринг материалов»

Для установления сложных взаимосвязей «Химический состав – технология – структура – свойства – надежность» в данном случае обязательно используются лабораторные исследования с применением моделирования условий эксплуатации изделия, а оптимизация многофакторных технологий проводится с учетом производственных возможностей и особенностей потенциальных изготовителей изделия.

Разработчик имеет две экономические альтернативы в процессе выбора материалов: наиболее дешевый из всех подходящих материалов или более дорогой материал, который более прост в производстве и обработке. Например, использование наклепанных стальных листов позволяет сэкономить за счет исключения операции термообработки. Конечный продукт в итоге становится дешевле.

Десять вопросов, задаваемых при выборе материала и приведенных ниже, могут использоваться для определения наиболее эффективного материала для конкретного применения. При таком анализе каждый вопрос задается по отношению к определенным материалам и процессам. Список рассматриваемых материалов должен быть расширен, если ответ на хотя бы один из десяти вопросов неясен.

*Есть ли необходимость в использовании данного материала?

*Превосходят ли характеристики данного материала требуемые?

*Является ли использование данного материала экономически выгодным?

*Имеется ли другой материал, превосходящий данный?

*Может ли это быть сделано менее дорогостоящим методом?

*Может ли использоваться стандартный материал?

*С учетом требуемого качества может ли применяться менее дорогостоящий способ механической обработки?

*Оправдано ли вложение большего, чем обычно количества рабочей силы, средств и затрат?

*Возможно ли снижение стоимости без влияния на качество?

*Отказались бы вы приобретать данный материал на собственные деньги по причине высокой стоимости?

Окончательное решение о выборе материала должно быть основано на всех данных, собранных в ходе принятия решения. И для военных и для гражданских проектов разработчики должны хорошо знать требования к прочности, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и сопротивлению износу. Первичные факторы выбора материала, далее внесенные в список, должны учитываться в каждом случае, когда решение должно быть принято «за» ил «против» выбора конкретного конструкционного материала.

*Функциональные требования и ограничения.

*Механические свойства.

*Конструктивное решение.

*Возможные альтернативные материалы.

*Технологичность.

*Коррозионная стойкость и сопротивление износу.

*Стабильность.

*Особые свойства.

*Стоимость.

Дата добавления: 2014-01-05