Чем необходимо руководствоваться при выборе материалов

Основы выбора материала.

Выбор материала для детали является сложной задачей, так как в боль­шинстве случаев деталь можно создать либо из различных материалов, либо из сложных совокупностей.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов:

1. Материал является основой конструкции, т. е. определяет способ­ность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических факторов. Например, в качестве диэлектрика конденсатора постоянной емкости, работающего в контуре высокой частоты, применяют материал с малым значением тангенса угла потерь. В противном случае конденсатор внесет большое затуха­ние в контур и снизит его добротность. Если конденсатор имеет обкладки с большим сопротивлением, то потери в нем будут также большими, если даже диэлектрик имеет малый тангенс угла потерь.

2. Материал определяет технологические характеристики детали, так как обрабатывается определенными технологическими методами. Например, объемные детали из текстолита можно обрабатывать только резанием. Те же детали из пластмасс изготавливают прессованием, что дает большую производительность при серийном и массовом произ­водстве.

Припрочих равных условиях следует выбирать тот материал, кото­рый допускает обработку наиболее прогрессивными методами: литьем, штамповкой, прессовкой, обработкой на станках-автоматах и т. д. Особенно это относится к деталям сложной формы, так как обработка их резанием увеличивает трудоемкость и материальные затраты.

3. От свойств материалов зависит точность изготовления детали. Так, 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.

От точности изделия зависит точность узла или прибора, куда оно вхо­дит. Поэтому выбор материала влияет на стоимость, Так, стоимость изделия из керамики, обработанного шлифовкой, при высоких требо­ваниях к точности изготовления значительно увеличивается.

4. Материал влияет на габариты и массу прибора. Так, использова­ние алюминиевых сплавов для шасси аппарата может дать сокращение массы в 1,5 – 3 раза при полном удовлетворении требований к прочно­сти и жесткости; использование высококачественных трансформатор­ных сталей позволяет значительно сократить количество металла в трансформаторе и тем самым уменьшить его массу и габариты, что весь­ма важно для специальной малогабаритной аппаратуры.

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. Те же детали, выполненные из стойких к окислению материалов (серебра, золота), выдерживают десятки тысяч переключений и в определенных условиях могут эксплуатироваться годами без дополнительной подрегулировки.

Выбор марки материала для соответствующих деталей нужно про­изводить так, чтобы технические параметры этого материала (электри­ческие, механические и др.) были согласованы с требованиями, предъ­являемыми к разрабатываемой конструкции.

Удовлетворить в полной мере всем эксплуатационным и производ­ственно-технологическим требованиям не всегда представляется воз­можным. Эти требования часто вступают в противоречие и приводят к различным конструктивным решениям. Задача конструктора заключается в выборе наиболее правильного компромиссного решения, при котором наиболее полно удовлетворяются главные требования к кон­струкции.

При конструировании деталей электронной аппаратуры конструк­тору приходится иметь дело с очень широкой номенклатурой материа­лов, обладающих различными физико-химическими свойствами. В за­висимости от этих свойств используемые материалы можно классифи­цировать по различным признакам.

С точки зрения электропроводности все материалы подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Рассмотрим провод­ники и диэлектрики. ­

К проводникам относят все металлы. Однако различные металлы обладают различной электропроводностью. Когда решающим факто­ром является малое удельное сопротивление электрическому току, то применяют медь, алюминий и другие материалы, обладающие малым удельным сопротивлением.

К материалам относят также провода и кабели, хотя многие из них состоят из металлических проводников, покрытых снаружи слоем изо­ляционного материала, исключающего возможность замыкания раз­личных цепей электронного устройства.

Металлы широко используют в качестве конструкционных материа­лов для изготовления деталей. Номенклатура таких материалов необы­чайно велика: это различные марки углеродистых и легированных сталей, алюминиевые сплавы для холодной обработки и литья, магниевые спла­вы, медные сплавы (латуни и бронзы) и др.

Материалы для холодной обработки выпускают в виде плит, листов, ленты, прутков (круглых и шестигранных), проволоки, трубок, уголков и других профилей сложных сечений.

Пластмассы.К числу диэлектриков относятся пластмассы, слоистые пластики и др. По механическим характеристикам они, как правило, уступают металлам. Так как многие детали электронных устройств при работе не несут больших нагрузок, то для их изготовления часто применяют пластмассы даже тогда, когда от детали не требуется элек­троизоляционных свойств. Связано это с тем, что при использовании пластмасс можно применять такие высокопроизводительные техноло­гические процессы, как прессование и литье, которые позволяют за одну технологическую операцию получить деталь сложной формы. Это дает большой экономический эффект при серийном и массовом производстве.

Отечественная промышленность выпускает большое количество различных пластмасс, различающихся физическими и технологическими характеристиками.

К группе термореактивных материалов относятся порошки K-21-22 и K-211-2, которые обладают хорошими электроизоляционными свой­ствами. Их применяют для изготовления ламповых панелей, каркасов катушек и других деталей, работающих в поле высокой частоты.

Порошки К-211-З и К-211-З4 отличаются от предыдущих тем, что в них наполнитель из древесной муки заменен на минеральный, в резуль­тате чего они обладают повышенной теплостойкостью. Материал мар­ки Кб (асбобакелит) имеет в качестве наполнителя асбестовое волокно и обладает повышенной механической прочностью и теплостойкостью; его изоляционные свойства хуже, чем у предыдущих порошков.

У порошков марок K-18-2, K-17-2, К-18-З, К-20-2 электроизоляцион­ные свойства хуже, чем у порошков K-21-22, K-211-2. Марки типа K-18-2, K-17-2 и другие применяют при изготовлении бытовой электроаппара­туры, неответственных изоляционных деталей в радиовещательной аппаратуре, ручек управления, клемм и т. д.

Материал АГ – 4 получен на основе модифицированной фенолформаль­дегидной смолы и стекловолокна в качестве наполнителя. Высокая теплостойкость, хорошая механическая прочность и электроизоляцион­ные свойства обеспечили ему широкое распространение для самых разнообразных целей.

Аминопласты воспринимают красители, благодаря чему из них можно прессовать декоративные детали любого цвета. Они обладают дугостойкостью, поэтому их целесообразно использовать при изготов­лении коммутационной аппаратуры.

Термопластичные материалы обладают наименьшей влагопогло­щаемостью и лучшими электроизоляционными свойствами, особенно в диапазоне сверхвысоких частот. К этой группе относится полиэтилен (теплостойкость 100 – 120ºС) и полистирол (теплостойкость 800ºС).

Полиэтилен, имеющий хорошую гибкость, используют в качестве изоляции в высокочастотных кабелях.

Полистирол используют при изготовлении каркасов катушек и дру­гих деталей, работающих в поле высокой частоты. К числу его недостат­ков следует отнести склонность к образованию поверхностных трещин при изменении температуры окружающего воздуха, а также в резуль­тате старения.

Наиболее теплостойким материалом является фторопласт–4, кото­рый одновременно обладает хорошими диэлектрическими свойствами до диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Детали из фторопласта из­готавливают методом механической обработки из прутков или брусков.

Для изготовления деталей радиоаппаратуры, работающей в условиях влажного тропического климата, применяют материалы, стойкие к гри­бообразованию. К их числу относятся К-18-22, К-211-З, К-211-З4, АГ-4, фторопласт-4, полиэтилен и др.

К числу слоистых пластиков относятся гетинакс, стеклотекстолит. Листовой гетинакс и стеклотекстолит выпускают также с на­клеенным тонким слоем медной фольги.

Керамические материалы. Все керамические материалы подразде­ляют на следующие три типа:

А – для изготовления высокочастотных конденсаторов;

Б – для изготовления низкочастотных конденсаторов;

В – высокочастотный материал, предназначенный для изготовле­ния установочных изделий и других радиотехнических деталей (антен­ных изоляторов, катушек высокостабильных контуров и т. д.).

Каждый керамический материал по температуре, при которой его можно использовать, относят к одной из четырех категорий:

l-я – от – 60 до + 85°С;

Из этих материалов можно изготавливать различные по размерам и конфигурации электроизоляционные детали.

На каждый материал, выпускаемый промышленностью, имеются технические условия (ТУ) или ГОСТы. В этих документах приводятся технические характеристики материалов с допустимыми отклонениями, а также изменения характеристик под действием различных факторов (температуры, повышенной влажности и т. д.).

На материалы, выпускаемые в виде листов, лент, прутков, проволо­ки и т. д., В ГОСТах и ТУ приводится сортамент, т. е. сведения оформе, размерах и допусках.

При выборе материала конструктор должен учитывать не только его физико-механические свойства, обеспечивающие выполнение задан­ной функции деталью, но и должен выбрать такой сортамент, который позволит изготовить деталь требуемой конфигурации с наименьшими затратами.

Источник

Как выбрать оптимальный материал на ранних этапах проектирования?

Казалось бы, есть наработанные годами сферы применения материалов. Есть рекомендации от производителя материалов — бери и делай. Но в современном мире потребителям доступны сотни тысяч различных материалов со своими особенностями. Как разобраться в этом хаосе? Как понять, что выбранный материал обладает наилучшими свойствами для конкретной детали? И главное, как процесс выбора материала сделать алгоритмизированным, повторяемым и обоснованным? Давайте разберёмся.

Состояние вопроса в России

Собственно, написать эту статью меня заставила как раз скудность информации по этой теме в отечественной литературе. Есть малое число источников, где рассматривается строгая методология выбора материала для конкретных применений. Методология в отечественной литературе относится к рекомендациям и не обладает математической строгостью, от чего не так прекрасна, как могла бы быть. Есть и хорошие новости. Если методология не распространена в России — это не означает что её нет в мире. И сразу оговорюсь, что эта методика не заменяет уже сложившееся представление о выборе материалов, а дополняет его и вносит системность в подход к выбору материала.

Про эту методологию я узнал, когда у меня появился доступ к Ansys GRANTA Selector. Немного поломав мозг и прочитав пару книг делюсь информацией, что я накопал.

На рисунке ниже показан алгоритм принятия решения при выборе материала из учебника Кондакова А.И. из МГТУ им. Н.Э. Баумана [1]. Данная методика предлагает определить наиболее важные для материала свойства, задаться критериями выбора этих свойств и произвести отсев материала по этим свойствам. Если произвести отсев не получается, то необходимо обратиться к изделиям-аналогам и материалам, из которых они изготовлены. После определения перечня материалов на него накладываются ограничения по технологичности и стоимости. И заканчивается всё некоторым кратким перечнем материалов и их характеристик, по которым уже можно определить финального кандидата.

Это прекрасный метод. И в нем всё логично. Но он не отвечает на вопрос «какими критериями свойств материалов нужно задаться?». Вы, конечно, можете сказать, что если мы проектируем самолёт, то детали должны быть прочными и лёгкими, ещё, желательно, дешёвыми. И воспользоваться таким параметром как удельная прочность — отношение прочности к плотности. И вы будете правы. Частично. Точнее, только в том случае, если ваш самолёт — это стержень, работающий на растяжение. Почему? А потому что в таком подходе вы не учитываете форму объекта и вид нагрузки.

Соотношения должны быть чуть сложнее, как в книге «Расчёт, проектирование и постройка сверхлёгких самолётов» (выдержка показана в таблице ниже) [2].

В этой же книге приводится пример сравнения применения древесины с распространёнными в авиации металлическими материалами: при работе на растяжение древесина не уступает материалам из таблицы. При работе на изгиб — даже лучше. А вот при работе на сжатие — древесина уже в 2-3 раза хуже.

И даже эти соотношения — покрывают только малую часть возможных видов нагрузок, форм и вообще физических приложений. И тут остаются вопросы «как быть с остальными применениями?», «как собрать это в единую методологию?».

Методология из Кембриджа

Михаэль Эшби, материаловед и профессор из Кембриджа, как раз и занялся исследованиями в этой области. По результатам своих изысканий издал ряд книг, в которых описана данная методология. Дальше этот раздел написан по книге Materials Selection in Mechanical Design [3], которая есть в открытом доступе.

В данной книге приводится более простая схема принятия решения по выбору материала (рисунок ниже).

Схема предлагает сначала отсеять материалы по наиболее «ярким» свойствам. Например, если у проектируемой детали есть требования по прозрачности или по возможности производить деталь только штамповкой, то это сразу сильно сужает перечень потенциальных кандидатов в материалы. В данном подходе в начале поиска рассматривается весь перечень из существующих материалов. Как ни странно, это может привести к неожиданным результатам. Если в схожих по назначению деталях годами использовался алюминий, то неожиданным может стать применение стеклонаполненного полиамида.

Далее, уже более узкий перечень, предлагается проранжировать в зависимости от необходимых свойств. Для этого нужно задаться некоторым оптимизационным критерием, вроде тех, что представлены в книге про сверхлёгкие летательные аппараты. На этом мы сосредоточим внимание чуть ниже.

При использовании этой схемы предполагается, что на входе в процесс выбора материала информация о потенциальных материалах представлена в общем виде. То есть мы можем использовать даже некоторые оценочные свойства или диапазоны свойств для марки материала. Например, полиамид-6 выпускает огромное количество предприятий. У всех из них материал, получается немного разным, с уникальным набором свойств. Для определения перечня потенциальных кандидатов нам не важно знать точные свойства для каждого производителя. Нам достаточно понимать, что материал полиамид-6 может иметь некоторый разброс свойств и знать этот разброс. Отсюда получается, что у нас должен появится этап, на котором мы уточняем свойства материалов. Это может быть информация из ГОСТов, DINов, информация из научных журналов, листков данных производителей и так далее.

С учётом этой информации у нас остаётся ещё более узкий перечень. Но было бы странно не учесть такие показатели как доступность материала на локальном рынке, действующие договора с поставщиками, потенциальные риски из-за санкций и другие локальные особенности.

Ну и наконец, принятие решение о применении конкретного материала или группы материалов.

Теперь вернёмся к основному этапу — ранжированию. Данный этап можно применять не только в методологии Эшби, а использовать, например, при выборе из имеющихся на предприятии 20 материалов.

Мы должны получить некоторые критерии, по которым было бы удобно ранжировать материалы. Для этого зададимся несколькими условиями: функцией, целью и ограничениями.

Любая деталь создаётся, чтобы выполнять какую-то функцию или несколько функций: способность держать давление, передавать тепло, выдерживать изгибающую нагрузку, передавать электрический заряд и так далее. При проектировании инженер ставит цель — сделать деталь лёгкой, прочной, дешёвой, эффективной или ещё какой-нибудь. Может и их сочетанием. Но при этом всегда есть ограничения: деталь должна иметь фиксированные размеры, работать в определённом диапазоне температур. Этот перечень определяет условия выбора материала.

Далее мы можем поставить вопрос «каким образом достичь поставленной цели?». Если речь идёт о жёсткой балке, то можно выбрать материал с высоким модулем упругости, можно увеличить площадь поперечного сечения, можно сделать балку с малой длиной. Если балка должна быть лёгкой, то можно выбрать материал с наименьшей плотностью, сократить длину, уменьшить площадь поперечного сечения. Как-то слишком много вариантов для раннего этапа, не так ли?

Это подталкивает к мысли, что можно вывести некоторые соотношения, которые будут учитывать вид нагружения и поставленные цели. Такие соотношения будем называть индексом эффективности.

В общем смысле, индекс эффективности — это комбинация свойств материала, характеризующая применение материала в конкретной области.

Формализуем эту мысль. Заметим, что эффективность каждого конкретного применения будет зависеть от функциональных требований (выдерживать нагрузку, передавать тепло), геометрических параметров (размеры, форма) и свойств материала (относящихся к конкретному применению):

где — эффективность, — функция (в математическом смысле), — функциональные требования, — геометрические параметры, — свойства материала.

При такой формулировке целью становится минимизация или максимизация .

Функцию можно выразить таким образом, чтобы она состояла из произведения трёх функций, каждая из которых определялась бы набором параметров , и (почему будет ясно на примере чуть ниже):

При таком разделении функция пропорциональна , определяющейся свойствами материалов, и независимой от функциональных требований и геометрических параметров . Очевидно, что при увеличении функции будет возрастать и . В таком случае функцию можно рассматривать отдельно и именно она будет определять индекс эффективности материалов. То есть можно оптимизировать функцию не зная всех функциональных требований и геометрических параметров и рассматривать их отдельно, уже при самом конструировании. То есть мы сначала подбираем оптимальный материал, а затем уже занимаемся конструированием и оптимизацией конструкции.

Рассмотрим на нескольких примерах.

Предположим, что мы выбираем материал для цилиндрического стержня, работающего на растяжение. У нас определена длина и растягивающее усилие . Цель — минимизировать массу при соблюдении условий прочности. Функцию, цель и ограничения соберём в таблицу ниже.

В данном случае «максимизация эффективности» означает минимизацию массы при способности нести нагрузку . Сначала мы ищем функцию, значения которой можно минимизировать или максимизировать. В данном примере речь идёт о минимизации массы . Уравнение, называемое целевой функцией, имеет вид:

где — площадь сечения, — длина, — плотность.

В данной задаче длина и нагрузка определены и фиксированы, а площадь сечения может изменяться в процессе конструирования. Уменьшение будет приводить к уменьшению , но в тоже время будет участвовать в соотношении для напряжений:

Отсюда можно выразить и подставить его в уравнение выше и сразу разделить переменные по их типам:

В первой скобке присутствует — функциональная переменная; во второй — — геометрическая переменная; в третьей — константы материала. Отсюда можно выразить индекс эффективности:

Сразу установим правило, по которому индекс эффективности стоит выражать так, чтобы его необходимо было максимизировать. То есть чем выше этот индекс – тем лучше для конкретного применения материала.

Рассмотрим второй пример — балка, нагруженная сосредоточенной силой , с квадратным сечением и длиной . Балка подвержена изгибу. Длина фиксирована. Необходимо ограничить прогиб балки некоторой величиной , то есть ограничением является жёсткость балки. Также необходимо чтобы балка имела минимальную массу. Функцию, цель и ограничения соберём в таблицу ниже.

Выразим жёсткость величиной , которая должна быть больше либо равной соотношения, определяемого из уравнения прогиба:

где — модуль упругости, — константа, определяемая из граничных условий и — момент инерции, определяемый для квадратного сечения как:

Напомню, что наша целевая функция имеет вид:

Получаем, как и в прошлом примере, противоречие между уменьшением массы и увеличением жёсткости — при увеличении размеров поперечного сечения будет увеличиваться жёсткость, а вместе с ней и масса, которую мы вообще-то хотим снизить.

Соберём теперь все в целевую функцию:

Тут, как и в прошлом примере, нас интересует только часть, отвечающая за свойства материала, то есть последний член уравнения. Выразим индекс эффективности:

Мы рассмотрели два примера, характерных только для механических задач. Вообще данных подход содержит в себе не только массовые, упругие и прочностные свойства. В нем также можно учесть стоимость материалов, тепловые, электрические и другие характеристики. Если классифицировать применения данного подхода, то получится вот такая структура:

Для учёта нескольких критериев, значения наносятся на пузырьковую диаграмму Эшби (рисунок ниже). Овалы на диаграмме отображают разброс свойств для каждого типа материала. Данная диаграмма построена для балки, работающей на изгиб. По оси отложен индекс эффективности, определяющий стоимость за единицу жёсткости. По оси отложен индекс эффективности, определяющий отношение массы и жёсткости. Критерии на диаграмме преобразованы таким образом, что чем меньше значение критерия, тем дешевле и легче будет получаться конструкция при той же жёсткости.

Отсюда получается, что чем ближе материал находится к левому нижнему углу, тем эффективнее будет его применение для легкой, дешёвой и жёсткой балки, работающей на изгиб.

Есть и другой способ отображения диаграммы Эшби. Он описан на странице Википедии.

Пример в Excel

Для примера я составил таблицу в Excel. Предположим, что у нас на предприятии применяют всего 6 материалов. Нужно из этих 6 материалов выбрать наилучшие, для следующих случаев:

Сравнение первого и второго примеров показывает, что полностью вольное изменение площади сечения и изменение только ширины, при заданной высоте, будет приводить к разным результатам. При изменяемой ширине сечения обоснованным будет применение более прочного, но и более тяжёлого материала. А все потому, что прочности в формулах индексов эффективности будут отличаться степенью.

Сравнение второго и третьего примеров показывает, что стремление к лёгкой или дешёвой конструкции будут давать разные результаты. Но это не означает, что конструкция не может быть и лёгкой, и дешёвой. Для решения такой задачи необходимо ещё одно измерение. Нужно построить график Эшби, на котором отложить массовый индекс эффективности по одной оси и ценовой индекс эффективности по другой оси.

В последнем примере показан выбор материала для элемента, запасающего энергию. Стоит обратить внимание на то, что для всех четырёх применений мы получили разные оптимальные материалы.

Источник