ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ: ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Надежность технических систем
2021
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Конструктивные
Эксплуатационные
Надежность при
эксплуатации
Надежность
при создании
Эксплуатационные
Технологические
Рис.1. Жизненный цикл изделия
2
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Основы надежности ТС – на стадии проектирования:
•
правильный выбор материала;
•
вероятностные методы оценки надежности;
•
создание запасов прочности конструкций;
•
использование стандартных деталей и узлов;
•
обеспечение ремонтопригодности;
•
обоснованное использование методов резервирования;
•
…
3
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Материал – это исходный, необработанный предмет труда, используемый для
производства изделия.
Основные требования к материалам
•
эксплуатационные – обеспечение работоспособности изделия;
•
технологические – обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления изделия;
•
экономические – невысокая стоимость, доступность материала.
Выбор материала – сложная задача, т.к. в большинстве случаев деталь можно создать
из различных материалов.
4
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Классификация по функциональному применению
Основные:
•
конструкционные;
•
инструментальные;
•
электротехнические;
•
оптические;
•
изоляционные;
•
…
Вспомогательные:
•
антифрикционные;
•
технологические материалы;
•
…
5
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Краткая характеристика
Конструкционные материалы – для изготовления элементов, воспринимающих
силовую нагрузку (детали машин, элементы сооружений и т.д.)
Инструментальные материалы – для оснащения рабочей части режущих
инструментов (сменные режущие пластины и т.д.)
Электротехнические материалы – изделия для производства, передачи, преобразования и
потребления электроэнергии (проводники, полупроводники, диэлектрики и т.д.)
Оптические материалы – для передачи или преобразования света
6
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Изоляционные материалы – для электрической изоляции
Антифрикционные материалы – для снижения скорости изнашивания сопряженных
деталей или их элементов (подшипники и т.д.)
Рабочие тела – передача или преобразование энергии (водяной пар – рабочее тело в
паровых машинах и турбинах; фреон, аммиак – в холодильных установках и т.д.)
Технологические материалы – для нормального протекания технологических
процессов изготовления деталей машин (флюсы и припои; смазочно-охлаждающие
жидкости и т.д.); для обеспечения нормальной работы машин и механизмов (лаки,
краски; клеи и герметики…)
7
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Пример дальнейшей классификации: Конструкционные материалы
Конструкционные материалы
Металлы и
сплавы
Черные (Fe+C): стали
(С=0,1…2,14) и
чугуны (C>2,14%)
Цветные: металлы
(Al, Ti, Сu…) и
сплавы
Неметаллы
Пластмассы,
керамика, стекло,
резина, дерево
Композиты
На металлической,
керамической,
полимерной основах
8
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Наибольшее использование – металлические материалы.
Среди них – черные: около 95 % всей металлопродукции.
Металлы – группа элементов, в виде простых веществ, обладающих
характерными свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность,
высокая пластичность, ковкость и металлический блеск
Сплав – металлический материал, состоящий из смеси двух или большего
числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.
9
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Рис. Классификация металлов и сплавов
10
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Правильный выбор материала – анализ функционального назначения детали, условий
ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов
1. Материал – основа конструкции, т. е. определяет способность детали выполнять
рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических
факторов.
2. Материал определяет технологические характеристики детали, так как
обрабатывается определенными технологическими методами.
Выбирают материал, допускающий обработку прогрессивными методами: литьем, штамповкой,
прессовкой, обработкой на станках-автоматах и т. д.
11
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
3. От свойств материалов зависит точность изготовления детали.
Точность штампованных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала: после изъятия
детали из штампа она распружинивает, поэтому деталь из мягкой стали при прочих равных
условиях будет изготовлена с большей точностью, чем та же деталь из пружинящей стали.
4. Материал влияет на габариты и массу прибора.
Использование алюминиевых сплавов может дать сокращение массы в 1,5 – 3 раза при полном
удовлетворении требований к прочности и жесткости.
12
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
5. Материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее
надежность и долговечность.
Контакты переключателя из латуни в сложных климатических условиях выдерживают незначительное число переключений. Календарный срок службы этих контактов независимо от числа
переключений также крайне ограничен, так как окисление материала приводит к нарушению
электрического контакта в переключателе.
Детали, выполненные из стойких к окислению материалов (серебра, золота), выдерживают десятки
тысяч переключений и в определенных условиях могут эксплуатироваться годами без
дополнительной подрегулировки.
13
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Выбор проводят в два этапа:
•
выбор ряда материалов, удовлетворяющих предъявляемым требованиям к
заданным свойствам, внешнему виду изделия;
•
выбор определенной марки.
Требования при выборе:
•
эксплуатационные свойства (электропроводность, жаропрочность и т.д.);
•
условия службы изделия (например, требования коррозионной стойкости);
•
технологические условия изготовления (требования к свариваемости).
14
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Классификация свойств
Все свойства объединены в группы:
•
механические;
•
теплофизические свойства;
•
гидрофизические свойства;
•
химические свойства;
и др.
Определяются по результатам различных испытаний.
15
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Механические свойства
Характеризуют способностью материала сопротивляться всем видам внешних
механических воздействий.
Прочность – свойство материала/тела сопротивляться разрушению под действием
внешних нагрузок.
Твердость – сопротивление материала/тела внедрению другого тела.
Жесткость – способность материала сопротивляться появлению деформации при
внешнем воздействии.
16
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Выносливость – способность материалов (конструкций) сопротивляться действию
повторных (циклических) нагрузок.
Упругость – свойство материала/тела сопротивляться изменению своей формы под
воздействием нагрузок (при снятии нагрузок форма должна восстанавливаться).
Пластичность – свойство материала/тела необратимо менять свои размеры и форму
(пластически деформироваться) под действием механических нагрузок без
разрушения.
17
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Износостойкость – способность материала/тела сопротивляться поверхностному
разрушению (износу) в условиях трения.
Хрупкость – свойство материала разрушаться при небольшой деформации.
Ударная вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под
действием ударной нагрузки.
18
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Теплофизические свойства
Свойства материалов, связанные с изменением температуры
Теплопроводность – процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей
тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры
Теплостойкость – способность материала сохранять высокую твердость при высоких
температурах
…
19
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Гидрофизические свойства
Связаны с воздействием на материал воды
Водопоглощение – способность материала впитывать в себя воду и удерживать ее.
Водопроницаемость – свойство горных пород пропускать через себя воду вследствие
наличия трещин, пор и других пустот под напором.
…
20
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Химические свойства
Связаны со способностью материала к химическим превращениям или его стойкостью
к влиянию веществ, с которыми контактирует.
Коррозионная стойкость – способность металла/сплава сопротивляться коррозионному
воздействию среды (кислот, щелочей и т.д).
Адгезионная способность – способность противостоять адгезии, сцеплению между
находящимися в контакте поверхностями разнородных по составу тел, обусловленной
межатомными силами притяжения.
…
21
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Технологические свойства
Характеризуют способность металлов и сплавов подвергаться обработке различными
способами:
•
литьем – литейные свойства,
•
давлением – ковкость,
•
сваркой – свариваемость,
•
резанием – обрабатываемость резанием;
•
термообработкой
•
...
22
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Литейные свойства металлов и сплавов – способность образовывать отливки без
трещин, раковин и других дефектов.
Основными литейными свойствами являются
•
жидкотекучесть – свойство сплава в жидком состоянии заполнять литейную
форму и воспроизводить ее очертания в отливке;
•
усадка – уменьшение объема или изменение линейных размеров в результате их
охлаждения;
•
…
23
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Эксплуатационные свойства
Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде
при высокой температуре.
Жаропрочность – способность материала сохранять механические свойства при высокой
температуре.
Износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его
поверхностных слоев при трении.
…
24
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
25
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими
свойствами материалов – характеризуют способность сопротивляться
деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок.
Механические нагрузки:
•
статические;
•
динамические
•
ударные;
•
монотонные;
•
циклические.
26
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Количественные (числовые) характеристики прочностных параметров определяются
стандартными испытаниями.
Различают испытания:
статические на растяжение, сжатие, изгиб, кручение;
динамические на ударную вязкость;
на усталость при цикловых нагрузках.
27
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Статические испытания
Статические испытания осуществляются при медленном возрастании нагрузок.
Основной вид испытаний – испытание на растяжение, позволяющее определить
характеристики прочности и пластичности.
Для исключения влияния размеров образца испытание проводят на стандартных
образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l0 и площадью
поперечного сечения F0.
28
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Испытуемый образец закрепляют в захватах разрывной машины и деформируют при
плавно возрастающей (статической) нагрузке.
F0
Р
Р
l0
Рис. Схема испытания на растяжение
По результатам испытаний – диаграммы растяжения образца:
•
«нагрузка – деформация»;
•
«напряжение – деформация».
29
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Pк
Pпц
Pупр
Pт
Pв
P
Рис. Диаграмма растяжения образца
30
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается.
F0 в каждый данный момент определить сложно.
При расчете предела упругости, предела текучести и
временного сопротивления пользуются условными
напряжениями: F0=const.
Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления
разрушению.
31
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Характеристики прочности
Закон Гука: пропорциональность между нагрузкой Р и удлинением Δl:
Pпц k l
Pпц
Pупр
k – коэффициент жесткости тела
Предел пропорциональности
пц
Рис. Участок
диаграммы ОА
Pпц
F0
32
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
AB – зона упругих деформаций
Если нагрузить до ординаты
точки B (сила Py), а потом разгрузить, то
тому же закону, по которому они
Pпц
Pупр
деформации образца будут уменьшаться по
увеличивались при нагружении
Предел упругости σу – максимальное
напряжение, до которого образец
испытывает только упругую
Рис. Участок
диаграммы АВ
деформацию:
у
Pу
F
33
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Если усилие выше Py, то при разгрузке образца деформации
полностью не исчезают (прямая B'О' параллельная линии
нагружения).
Pпц
Pупр
Деформация образца состоит деформации:
•
упругой Δlупр;
•
остаточной (пластической) Δlост.
34
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
P
Участок СD, параллельный оси абсцисс, называется площадкой
текучести.
Предел текучести σт – это напряжение при котором происходит
увеличение деформации при постоянной нагрузке:
Pт
Pупр
Pпц
т
Pт
F0
Рис. Участок диаграммы CD
35
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести – условный предел
текучести .
Условный предел текучести 0,2 – напряжение, при котором образец получает
остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:
0,2
P0,2
F0
где Р0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 %
от начальной длины
36
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
P
Предел прочности (временное
сопротивление разрыву) σв – это
Pк
Pпц
выдерживает образец до
Pт
Pупр
максимальной нагрузки, которую
Pв
напряжение, соответствующее
разрушения:
Рис. Диаграмма растяжения образца
P
в в
F0
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к разрушению образца.
37
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Истинное сопротивление разрушению σк – истинное напряжение, предшествующее моменту
разрушения образца
к
Pк
Fк
где Рк – нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, Н;
Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм2.
Рис. Схема образца
38
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Характеристики пластичности
Относительное удлинение
l l
к 0 100%
l0
где l0 и lк – начальная и конечная длины образца
Относительное сужение
Fк F0
100%
l0
где F0 и Fк – начальная и конечная площади поперечного сечения образца (до и после
испытания).
39
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Испытание на твёрдость
Один из основных методов оценки качества изделия.
Наибольшее распространение на практике получили методы измерения твёрдости по:
•
Бринеллю;
•
Роквеллу;
•
Виккерсу;
•
метод измерения микротвёрдости.
40
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
По Бринеллю
Вдавливание в поверхность металла стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 и
10 мм.
Число твёрдости НВ (кгс/мм2):
HB
HB
Рис. Схема испытаний
P
F
2P
D( D D 2 d 2 )
41
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Обычно расчёты не производят, а пользуются готовыми стандартными таблицами.
Таблица 1 – Фрагмент таблицы значений твердости
42
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
По Роквеллу
Вдавливание в поверхность алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального
закалённого шарика (D = 1,6 мм).
А. Предварительная нагрузка в 10 кгс,
обнуление шкалы
А
В
С
В. Основная нагрузка до максимального
значения усилия
Рис. Схема испытаний
С. Снятие основной нагрузки
43
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Обозначение твёрдости – символ HR + буква, указывающая на шкалу, по которой
проводились испытания (HRA, HRB, HRC…).
Существует 11 шкал (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации
«индентор (наконечник) - нагрузка»
Таблица 2 – Фрагмент таблицы шкал
Шкала
Индентор
Нагрузка, кгс
А
Алмазный конус
с углом 120° при вершине
60 кгс
В
Шарик диам. 1/16 дюйма
из карбида вольфрама (или закалённой стали)
100 кгс
С
Алмазный конус
с углом 120° при вершине
150 кгс
44
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Таблица 3 – Фрагмент таблицы соответствия нагрузка
на индентор и диапазоны измерений твердости
Шкалы
Роквелла
Нагрузка на индентор, кгс
Диапазоны
измерений
А
Предварительная
10
Основная
50
Общая
60
70...85 HRA
В
10
90
100
25...100 HRB
С
10
140
150
20...67 HRC
Чтобы при большей твёрдости материала не получалось большее число твёрдости, вводят
условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину – 0.002 мм.
45
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Предельная глубина внедрения при испытании составляет:
алмазным конусом – 0.2 мм или 0.2 / 0.002 = 100 делений,
шариком – 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений.
По шкале А (HRA) и С (HRC):
HR 100
е h0
0.002
По шкале B (HRB):
HR 130
е h0
0.002
Рис. Схема испытаний
46
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
По Виккерсу
Вдавливание четырехгранной алмазной пирамиды.
HV
2P
P
sin
1,8544
d2
2
d2
где Р – нагрузка на пирамиду, Н (кгс);
d – среднее арифметическое длины
Рис. Схема испытаний
обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм;
α – угол между гранями пирамиды при вершине 136°.
Для определения числа твердости HV по величине диагонали отпечатка используют
таблицу.
47
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Наноиндентирование
Нанообъемы материала (тонкие плёнки, покрытия, микро- и наноструктуры)
В испытуемый образец внедряется трехгранная или четырехгранная алмазная
пирамида (0,01 нм до 0,3 нм).
Строится диаграмма нагружения и снятия нагрузки, позволяющая оценить
характеристики мельчайших структурных составляющих
48
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Рис. Нагрузка
Рис. Фотография отпечатков
Твердость H образца определяется уравнением:
H
Pmax
F
F – это площадь проекции отпечатка при максимальном значении приложенной нагрузки Pmax. 49
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Динамические испытания
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность
материала к хрупкому разрушению – оценка ударной вязкости.
Проводят на маятниковых машинах.
Для ударных испытаний используют надрезанные образцы.
Вязкость оценивают:
Рис. Схема испытания на
ударную вязкость
по величине нагрузки,
…
50
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Ударную вязкость обозначают KC + символ, показывающий вид надреза:
острый – V (KCV),
с радиусом закругления – U(KCU),
трещина – Т (KCT).
51
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Оценка ударной вязкости металлов
На разрушение образца затрачивается работа:
A P ( H h)
P – вес маятника,
H и h – высоты подъема маятника до и после удара.
Значение ударной вязкости определяется по формуле:
KC
A
,
F0
где А – работа разрушения,
F0 – площади поперечного сечения в месте надреза.
52
ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ: ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Надежность технических систем
2021
