Принципы и методы выбора металлических материалов

Основной принцип

При выборе материалов и производственных процессов необходимо проводить всестороннюю оценку с учетом трех важнейших аспектов: пригодности, осуществимости и экономической эффективности. Такой многогранный подход обеспечивает оптимальную производительность, технологичность и экономическую целесообразность конечного продукта.

Оценка пригодности включает в себя анализ соответствия свойств и эксплуатационных характеристик материала предполагаемым условиям работы и функциональным требованиям. Это включает в себя оценку механических свойств (таких как прочность, пластичность и усталостная прочность), теплового поведения, коррозионной стойкости и любых специфических характеристик, имеющих решающее значение для данного применения.

Анализ осуществимости направлен на определение совместимости выбранного производственного процесса с выбранным материалом. Он включает в себя такие аспекты, как формуемость, обрабатываемость, свариваемость, а также любые ограничения или проблемы, связанные с обработкой материала с использованием имеющегося оборудования и технологий. Для подтверждения осуществимости процесса и выявления потенциальных проблем перед началом полномасштабного производства могут использоваться передовые инструменты моделирования и опытные образцы.

Оценка экономической эффективности рассматривает экономические аспекты как выбора материала, так и производственных процессов. При этом анализируются стоимость сырья, затраты на обработку, энергопотребление, требования к оснастке и потенциальный выход продукции. Кроме того, в общей оценке экономической эффективности должны учитываться затраты на жизненный цикл, включая техническое обслуживание, возможность переработки и утилизации.

Принцип применимости

Принцип пригодности является основополагающим при выборе материалов, поскольку выбранные материалы должны выдерживать условия эксплуатации и соответствовать эксплуатационным требованиям. Этот критический шаг в выборе материала обеспечивает оптимальную функциональность и долговечность компонентов.

Пригодность материала определяется полным набором внутренних спецификаций качества, включая:

1. Химический состав
2. Микроструктура
3. Механические свойства (например, прочность, пластичность, вязкость)
4. Физические свойства (например, теплопроводность, удельное электрическое сопротивление)
5. Химические свойства (например, коррозионная стойкость, реакционная способность)

При выборе материалов инженеры должны учитывать три ключевых фактора:

1. Условия нагрузки: Сюда входят величина и характер приложенных нагрузок (статические, динамические, циклические) и их распределение внутри компонента. Такие факторы, как усталость, ползучесть и ударопрочность, могут иметь решающее значение в зависимости от области применения.

2. Среда обслуживания: Сюда входят:

• Среда (например, воздух, вода, химические вещества)
• Диапазон рабочих температур
• Условия давления
• Трение и износ
• Воздействие радиации или электромагнитных полей

3. Требования к производительности:

• Ожидаемый срок службы
• Допустимые напряжения и деформации
• Особые функциональные требования (например, тепло- или электропроводность)
• Вопросы технического обслуживания
• Экономическая эффективность и доступность

Целостная оценка этих факторов необходима для того, чтобы выбранные материалы не только соответствовали, но и превосходили эксплуатационные требования. Такой подход минимизирует риск преждевременного выхода из строя, оптимизирует срок службы компонентов и обеспечивает экономически эффективное использование материалов.

Кроме того, при выборе материала необходимо учитывать такие факторы, как экологичность, возможность вторичной переработки и воздействие на окружающую среду, которые приобретают все большее значение в современной инженерной практике.

Технологический принцип

После того как материалы выбраны, можно определить технологию обработки. Однако важно помнить, что процесс обработки может изменить свойства материалов. Кроме того, такие факторы, как форма, структура, размер партии и условия производства деталей, также играют важную роль в определении технологии обработки материалов.

Принцип осуществимости требует учитывать технологичность материалов при их выборе, а материалы с хорошей технологичностью следует предпочесть, чтобы минимизировать сложность и стоимость производства. Каждый производственный процесс имеет свои уникальные характеристики, преимущества и недостатки.

Когда детали из одного и того же материала изготавливаются с помощью различных процессов, сложность и стоимость могут быть разными, как и требуемые характеристики обработки материала. Например, ковка может оказаться нецелесообразной для деталей с сложные формы и больших размеров. В таких случаях можно использовать литье или сварку, но материал должен обладать хорошими характеристиками для литья или сварки, а конструкция должна соответствовать требованиям для литья или сварки.

В другом примере, при изготовлении ключей и штифтов методом холодной вытяжки, необходимо учитывать удлинение материалов и влияние деформационного упрочнения на их механические свойства.

Экономический принцип

Помимо соблюдения требований к использованию и обработке материалов, важно учитывать экономическую эффективность материалов при изготовлении металлов и производственных процессов.

Принцип экономической эффективности предполагает выбор материалов, обеспечивающих оптимальный баланс между производительностью и ценой. Характеристики включают в себя функциональные свойства материала, обычно представленные сроком службы, механической прочностью, коррозионной стойкостью и коэффициентами безопасности. Цена материалов определяется как первоначальной стоимостью, так и стоимостью жизненного цикла, включая затраты на производство и долгосрочные эксплуатационные расходы.

На стоимость материалов влияет множество факторов:

1. Стоимость сырья: Колебания на мировых товарных рынках могут существенно повлиять на цены.
2. Коэффициент использования материала: Эффективные методы раскроя и сокращения количества брака позволяют повысить экономическую эффективность.
3. Расходы на формовку: Расходы, связанные с такими процессами, как литье, ковка или экструзия.
4. Затраты на обработку: Расходы на механическую обработку, термообработку и обработку поверхности.
5. Расходы на установку и ввод в эксплуатацию: Расходы, связанные с монтажом на месте и интеграцией системы.
6. Эксплуатационные расходы: Долгосрочные расходы на содержание, включая защиту от коррозии и износостойкость.
7. Управленческие расходы: Накладные расходы на контроль запасов и управление цепочкой поставок.
8. Расходы на электроэнергию: Расходы, связанные с обработкой и изготовлением материалов.
9. Расходы на соблюдение экологических норм: Расходы, связанные с выполнением нормативных требований и соблюдением принципов устойчивого развития.

Чтобы оптимизировать экономическую эффективность, производители должны учитывать:

• Анализ стоимости жизненного цикла (LCCA) для оценки долгосрочной экономической эффективности
• Инжиниринг стоимости для выявления альтернативных материалов или процессов, позволяющих сохранить функциональность при снижении затрат
• Внедрение принципов бережливого производства для минимизации отходов и повышения эффективности
• Внедрение передовых производственных технологий, таких как аддитивное производство, для сокращения отходов материалов и этапов обработки
• Сотрудничество с поставщиками для разработки экономически эффективных решений в области материалов и использования эффекта масштаба

Этапы, методы и основы выбора материала и процесса формования

Выбор материалов и производственных процессов осуществляется следующим образом:

• Выбирайте материалы в зависимости от условий и требований эксплуатации.
• На основе выбранных материалов выберите подходящий технологический процесс, учитывая такие факторы, как стоимость материалов, их технологические свойства, сложность деталей, размер партии деталей, существующие производственные условия и технические требования.

1. Этапы и методы выбора материалов и процессов их формования

Для оценки условий эксплуатации деталей необходимо определить конкретную нагрузку, напряженное состояние, температуру, коррозию и условия износа, которые будут испытывать детали во время использования.

Для деталей, используемых в условиях нормальной температуры, основным требованием является наличие у материалов соответствующих механических свойств. Однако для деталей, используемых в других условиях, материалы должны обладать особыми физическими и химическими свойствами.

Если детали будут использоваться при высоких температурах, материалы должны обладать высокой термостойкостью и устойчивостью к окислению. Детали, используемые в химическом оборудовании, должны обладать высокой устойчивостью к коррозии. Для некоторых деталей приборов требуются материалы с электромагнитными свойствами. Для сварочных конструкций, используемых в экстремально холодных зонах, необходимо учитывать требования к низкотемпературной вязкости.

При использовании в помещениях с повышенной влажностью необходимо учитывать требования к устойчивости к атмосферной коррозии. Ниже описаны общие шаги по выбору материала:

• Посредством анализа или испытаний, а также результатов анализа отказов аналогичных материалов, определяют различные обобщенные показатели допустимого напряжения, такие как допустимая прочность, допустимая деформация, допустимая деформация и время службы.
• Определите основные и второстепенные обобщенные показатели допустимых напряжений и используйте наиболее важные показатели в качестве основной базы для выбора материала.
• Исходя из основных показателей, выберите несколько материалов, отвечающих требованиям.
• Выбирайте материалы и процесс их формования, исходя из процесса формования материалов, сложности деталей, серийности производства деталей, существующих условий производства и технических условий.
• Учитывайте такие факторы, как стоимость материалов, технология формования, характеристики материала и надежность использования, чтобы выбрать наиболее подходящий материал с помощью метода оптимизации.
• При необходимости протестируйте материалы и запустите их в производство для проверки или корректировки.

Обратите внимание, что это лишь общие рекомендации по выбору материала, а сам процесс может быть длительным и сложным.

Для важных деталей и новые материалыДля обеспечения безопасности материала при выборе требуется значительное количество базовых испытаний и пробных производственных процессов. Для менее важных и мелкосерийные деталиМатериалы обычно выбираются на основе опыта использования аналогичных материалов в тех же условиях работы, определяется марка и спецификация материалов, после чего организуется процесс формовки.

Если детали повреждены нормально, можно использовать оригинальные материалы и процесс формовки. Если повреждение вызвано аномальным ранним повреждением, необходимо определить причину отказа и принять соответствующие меры. Если причиной является материал или процесс его производства, можно рассмотреть возможность применения новых материалов или нового процесса формования.

2. Основа для выбора материала

(1) Условия нагрузки

В процессе эксплуатации инженерные материалы подвергаются воздействию различных сил, таких как растягивающее напряжение, сжимающее напряжение, напряжение сдвига, напряжение резания, крутящий момент, ударная сила и др.

Механические свойства и режимы разрушения материалов тесно связаны с условиями нагружения, которым они подвергаются.

В машиностроении очень важно, чтобы машины и конструкции работали безопасно и надежно, отвечая при этом требованиям к их перемещению.

Например, шпиндель станка должен нормально работать без поломок и чрезмерных деформаций под нагрузкой. Другой пример: когда домкрат поднимает груз, винт должен оставаться прямым и сбалансированным без резкого изгиба.

Безопасная и надежная работа инженерных компонентов зависит от их соответствия требованиям прочности, жесткости и устойчивости.

Для каждого из этих аспектов механики материалов существуют свои специфические условия, которые необходимо учитывать при анализе условий напряжений или выборе материалов.

При выборе материалов в зависимости от напряженного состояния важно учитывать не только механические свойства материалов, но и соответствующие знания по механике материалов, чтобы сделать научно обоснованный выбор.

Таблица 1 Напряжения, формы разрушения и требуемые механические свойства некоторых распространенных деталей

(2) Температура эксплуатации материалов

Большинство материалов обычно используется при комнатной температуре, однако есть и такие, которые применяются при высоких или низких температурах.

Из-за различных температур эксплуатации требуемые свойства материалов также сильно различаются.

С понижением температуры вязкость и пластичность стальных материалов постоянно уменьшаются. В определенный момент происходит значительное снижение вязкости и пластичности, называемое температурой перехода вязкость-хрупкость.

При использовании материалов ниже температуры перехода вязкость-хрупкость они подвержены хрупкому разрушению под действием небольших напряжений, что может привести к повреждению. Таким образом, при выборе стали для использования при низких температурах следует выбирать материалы с температурой перехода вязкость-хрупкость ниже, чем в рабочих условиях.

Легирование различных низкотемпературных сталей направлено на снижение содержание углерода и улучшает их низкотемпературную вязкость.

С повышением температуры свойства стальных материалов претерпевают ряд изменений, включая снижение прочность и твердость, увеличение, а затем уменьшение пластичности и вязкости, а также окисление или коррозия при высоких температурах.

Эти изменения влияют на характеристики материала и могут привести его в негодность. Например, рабочая температура для углеродистой стали и чугуна не должна превышать 480 ℃, в то время как рабочая температура для легированная сталь не должна превышать 1150 ℃.

(3) Коррозия

В промышленности скорость коррозии обычно используется для выражения коррозионная стойкость материалов.

Скорость коррозии измеряется как потеря металлического материала на единицу площади за определенное время или как глубина коррозии в металлическом материале с течением времени.

В промышленности обычно используется система оценки коррозионной стойкости, включающая 6 категорий и 10 классов, от класса I с полной коррозионной стойкостью до класса VI с отсутствием коррозионной стойкости, как показано в таблице 2.

Таблица 2 Классификация и критерии оценки коррозионной стойкости Металлические материалы

Большинство инженерных материалов работают в атмосферных условиях и подвержены атмосферной коррозии, что является распространенной проблемой.

Влажность, температура, солнечный свет, дождевая вода и содержание агрессивных газов в атмосфере сильно влияют на коррозию этих материалов.

Углеродистая сталь в обычных сплавах имеет скорость коррозии 10^-605 м/сутки в промышленной атмосфере, но ее можно использовать после окраски или нанесения других защитных слоев.

Низколегированная сталь, содержащая такие элементы, как медь, фосфор, никель и хром, обладает значительно повышенной устойчивостью к атмосферной коррозии и может использоваться без покраски.

Такие материалы, как алюминий, медь, свинец и цинк, обладают хорошей устойчивостью к атмосферной коррозии.

(4) Износостойкость

Ниже перечислены факторы, влияющие на износостойкость материалов:

① Свойства материалаВ их число входят твердость, вязкость, способность подвергаться закалке, теплопроводность, химическая стабильность, состояние поверхности и т.д.

② Условия трения: включая характеристики абразивного материала в процессе трения, давление, температуру, скорость трения, свойства смазочных материалов и наличие коррозионных условий.

Как правило, материалы с высокой твердостью менее восприимчивы к проникновению или истиранию шлифовальными предметами, а также имеют высокий предел усталости, что приводит к высокой износостойкости. Кроме того, высокая твердость гарантирует, что даже при проникновении в материал или его истирании он не разрушится, что еще больше повышает его износостойкость.

Таким образом, твердость является основным аспектом износостойкости. Важно отметить, что твердость материалов может меняться в процессе эксплуатации. Например, металлы, подвергающиеся закалке, становятся тверже при трении, а металлы, размягчающиеся под действием тепла, могут размягчаться при трении.

3. Основа для выбора процесса формования материала

Как правило, после определения материала изделия определяется тип процесса формования.

Например, если изделие изготовлено из чугуна, следует использовать литье; если из листовой металлЕсли речь идет о деталях из ABS-пластика, то следует выбрать штамповку; если о керамических деталях, то необходимо выбрать подходящий процесс формования керамики.

Однако важно помнить, что процесс формовки также может влиять на характеристики материала, поэтому при выборе процесса формовки необходимо учитывать конечные требования к характеристикам материала.

Характеристики материалов изделия

① Механические свойства материалов

Например, стальная шестерня Детали можно отливать, если их механические свойства не критичны, но если требуются высокие механические свойства, следует использовать обработку давлением.

② Эксплуатационные характеристики материалов

Например, при производстве деталей маховика для автомобилей и автомобильных двигателей используется сталь штамповка следует использовать вместо открытой штамповки. Это связано с тем, что высокая скорость автомобилей и требование плавности хода означают, что открытые волокна в поковках маховика могут привести к коррозии и повлиять на эксплуатационные характеристики. Закрытая штамповка предпочтительнее открытой штамповки, поскольку она устраняет вспышку и предотвращает срезание и обнажение волокнистой структуры поковки.

③ Технологические свойства материалов

Технологические свойства включают в себя свойства литья, свойства ковки, свойства сварки, свойства термообработки и свойства резки. Например, материалы из цветных металлов с плохой свариваемостью следует соединять с помощью аргонодуговая сварка вместо ручной дуговой сварки. ПТФЭ, будучи термопластичным материалом с плохой текучестью, не подходит для литья под давлением и может быть изготовлен только методом прессования и спекания.

④ Специальные свойства материалов

К особым свойствам относятся износостойкость, коррозионная стойкость, жаропрочность, электропроводность или изоляция. Например, рабочее колесо и корпус кислотостойкого насоса должны быть изготовлены из нержавеющей стали и отлиты. Если используется пластик, можно использовать литье под давлением. Если требуется одновременно жаропрочность и коррозионная стойкость, следует использовать керамику и формовать ее в процессе цементации.

(2) Производственная партия деталей

Для массового производства изделий следует выбирать процесс формовки с высокой точностью и производительностью, чтобы обеспечить точность и эффективность. Хотя оборудование, необходимое для этих процессов формовки, может иметь относительно высокую стоимость изготовления, эти инвестиции могут быть компенсированы снижением расхода материалов на одно изделие.

Для массового производства поковок рекомендуется процессы формования К ним относятся штамповка, холодная прокатка, холодное волочение и холодное выдавливание.

Для массового производства отливок из цветных сплавов, литья в металлические формы, литья под давлением и низких литьё под давлением рекомендуемые процессы формовки.

Для массового производства нейлоновых деталей MC предпочтительным является процесс литья под давлением.

Для мелкосерийного производства могут быть выбраны процессы формовки с более низкой точностью и производительностью, такие как ручная формовка, свободная ковка, ручная сварка и процессы, связанные с резкой.

(3) Требования к сложности формы и точности деталей

Для металлических деталей сложной формы, особенно с замысловатыми внутренними полостями, используется процесс литья часто выбирается, например, для коробки, корпуса насоса, блока цилиндров, корпуса клапана, корпуса и деталей станины.

Инженерные пластиковые детали сложной формы обычно изготавливаются методом литья под давлением.

Керамические детали сложной формы могут быть изготовлены как методом литья под давлением, так и методом литья.

Для металлических деталей простой формы можно использовать обработку давлением или сварочное формование.

Инженерные пластиковые детали простой формы могут быть изготовлены с помощью процессов выдувного, экструзионного или литьевого формования.

Керамические детали простой формы обычно отливаются в форму.

Если изделие представляет собой отливку и точность размеров не является высоким требованием, можно использовать обычное песчаное литье. При высокой точности размеров можно использовать литье по выплавляемым моделям, литье по испарительным моделям, литье под давлением или литье под низким давлением в зависимости от материала отливки и размера партии.

При низких требованиях к точности размеров в ковке обычно используется свободная ковка. При высоких требованиях к точности выбирают штамповку или экструзионную формовку.

Если изделие пластиковое и требует низкой точности, предпочтительнее использовать формование с выдувом. При высоких требованиях к точности выбирается литье под давлением.

(4) Существующие производственные условия

Под существующими условиями производства подразумеваются текущие мощности оборудования, техническая компетентность персонала и возможность аутсорсинга продукции.

Например, при производстве продукции тяжелого машиностроения, если на площадке нет сталеплавильной печи большой мощности или тяжелого подъемно-транспортного оборудования, часто используется комбинированный процесс литья и сварки. При этом крупные детали делятся на более мелкие для отливки, а затем свариваются вместе для получения более крупных изделий.

Например, детали масляного поддона для токарного станка обычно изготавливаются путем штамповки тонких стальных листов на прессе. Если условия на месте не подходят для этого процесса, следует использовать альтернативные методы.

Например, если на месте нет тонких пластин или больших прессов, может понадобиться процесс литья. Если имеются тонкие пластины, но нет большого пресса, вместо штамповки можно использовать экономичный и целесообразный процесс прядильной формовки.

(5) Рассмотрение новых процессов, технологий и материалов

С ростом потребностей промышленного рынка пользователи предъявляют все более высокие требования к разнообразию продукции и повышению ее качества, что приводит к переходу от массового производства к многосерийному и мелкосерийному. Это расширяет сферу применения новых процессов, технологий и материалов.

Чтобы сократить производственный цикл и повысить качество продукции, необходимо рассмотреть возможность использования новых процессов, технологий и материалов, таких как точное литье, точная ковка, точная штамповка, холодное выдавливание, штамповка в жидкой форме, сверхпластичное формование, литье под давлением, порошковая металлургия, керамика и другие виды статического формования под давлением, формование композитных материалов и быстрое формование. Это позволит создавать детали практически чистой формы и значительно повысить качество продукции и экономическую выгоду.

Кроме того, для обоснованного выбора процесса формования важно иметь четкое представление о характеристиках и сфере применения различных процессов формования, а также о влиянии процесса формования на свойства материала.

Характеристики различных процессов формообразования заготовок из металлических материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 Характеристики различных процессов формования заготовок