Файл: Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов.pdf

Г л а в а V

Примеры выбора материала

Нагрузку от внутреннего давления в сферическом со-

f

суде на стенки толщиной б < - у можно приближенно

определить, мысленно разрезав его по диаметральной

плоскости.

Сила, действующая на стенки сферического сосуда, равна:

Р = к г2-р,

где г — радиус полости сосуда, р — давление. Отношение этой силы к поперечному сечению стенки в месте разре­ за дает расчетное напряжение

189

Поперечное сечение стенок трубы f —26-l. В этом случае расчетное напряжение

Чтобы сосуд или труба выдержали внутреннее давле­ ние, предел прочности должен быть больше расчетного напряжения, помноженного «а коэффициент запаса:

для сферического сосуда

ь ^ 2й к '

для трубы

а,, >

В подобных конструкциях коэффициент запаса при­ нимают 2. По условию г/б >- 5.

Отсюда получим:

для сферического сосуда

для трубы

> p- f ■k= 1000 • 5 • 2= 10 000Уг/см2= 100 кг/мм2.

В табл. 1 указано, что для подобных случаев при­ годны и конструкционная сталь, и никелевые или ти­ тановые сплавы. Но сталь дешевле и поэтому предпочи­ таем ее.

Марку стали выбираем на основании следующих со­ ображений. Сферический сосуд проще всего изготовить,

190

сварив штампованные полушария, для чего нужна проч­ ная и пластичная свариваемая сталь. По табл. 4 подби­ раем сталь марки 25ХГСА, а по табл. 32 — электроды для ее сварки УОНИ-13/85.

Для трубы подходит улучшаемая сталь повышенной прочности марок 35ХГСА, 40ХНВА и др. после закалки и отпуска при 240—270° (см. табл. 3). Эти марки стали применимы при обычных температурах при отсутствии опасности коррозии.

2. Пружина

Для материала пружин важными характеристиками являются максимальная упругая энергия, предел вы­ носливости и стойкость в данных условиях рабочих де­ формаций. Достаточной выносливостью обладают ме­ таллические пружинные материалы: сталь, никелевые и медные сплавы.

Если принять запас упругой энергии стальной пру­ жины за единицу, то для никелевой пружины тех же раз­ меров он составит 0,85—1,25, для медной — 1,2—1,4, для титановой— 1—1,7 и для дюралюминиевой — 0,23. Но на единицу веса упругая энергия никелевого сплава отно­ сительно стали будет 0,73—1,1, медного 1,03—1,5, тита­ нового 1,7—2,9 и дюралюминия — 0,64.

В большинстве случаев для пружин применяют пру­ жинную сталь после закалки и среднего отпуска (см. табл. 3) или нержавеющую хромистую сталь — для не­ ржавеющих пружин. Особо ответственные пружины из­ готовляют из медных или никелевых пружинных сплавов (см. табл. 11 и 12). Весьма перспективны пружины из титановых сплавов, но при обеспечении достаточного предела выносливости.

19!

3. Нож для резки неметаллических материалов

а) В сухом воздухе или в безводных растворителях. В этом случае важен высокий предел прочности на изгиб при высокой твердости. Таким требованиям отве­ чает инструментальная сталь (табл. 1) после закалки и

отпуска при 220—250° С (табл. 2 и 3). б) Во влажной среде.

Кроме сказанного выше важна стойкость против кор­ розии. Этому требованию соответствует нержавеющая хромистая сталь марок 4X13 и 9X18 после такой же тер­ мообработки.

4. Ударяющиеся друг о друга стальные детали

При ударе происходит переход кинетической энергии удара в упругую энергию деформации. Чем выше удель­ ная максимальная упругая энергия материала, тем ра­ ботоспособнее деталь, работающая на удар, но при этом важна и ее твердость. Из двух ударяющихся друг о дру­ га деталей более сложная и дорогая должна быть более твердой. В остальном справедливо все сказанное о пру­ жинах.

5. Коленчатый вал

Через коленчатый вал передается вся мощность ма­ шины, на него действуют большие переменные нагруз­ ки от давления шатунов и от центробежных сил. Вал имеет сложную форму и должен изготовляться очень точ­ но. Для изготовления валов применимы конструкционная сталь и нехрупкий чугун. Для упрочнения валы целиком

192

подвергают закалке и высокому отпуску, а поверхности шеек, кроме того, еще и поверхностной закалке с низ­ ким отпуском или цементации и закалке с низким отпус­ ком. Крупные валы мощных высокооборотных машин во избежание коробления при закалке выполняют из воз­ душно закаливаемой стали марок 18ХНВА, 16Х2ГН2ВА и др. (табл. 4), менее крупные валы машин меньшей мощности — из углеродистой стали марок 40 и 45 (табл. 2) или из нехрупкого ковкого (высокопрочного) чугуна.

6. Зубчатые колеса

Зубчатые колеса при работе испытывают циклические нагрузки. Поверхности зубьев подвергаются контактно­ му давлению и истиранию. Изготовляться они должны с большой точностью. Венцы зубчатых колес выполняют из улучшаемой (табл. 4) или цементируемой стали и подвергают закалке и отпуску при 250—270° С до твер­ дости HRC 45—55. Во избежание коробления при закал ке применяют легированную сталь, закаливаемую в масле.

7. Нагруженные болты

Болты воспринимают одностороннюю нагрузку и вы­ полняются из улучшаемой стали.

Они подвергаются закалке и отпуску при 220—270° G для получения твердости HRC 45—50, соответствующей пределу прочности 150—200 кг/мм2 и условному пределу текучести 120—180 кг/мм2 (табл. 2, 3 и 4).

8. Гайки

Гайки работают в более благоприятных условиях, чем болты, и могут быть изготовлены из менее прочных ма­ териалов. Чаще всего для гаек не очень ответственных соединений применяют автоматную сталь (см. стр. 49).

9.Червяки и ходовые винты

По характеру работы червяки и ходовые винты мало отличаются от зубчатых колес и могут изготовляться из таких же материалов, с такой же термической (хи­ мико-термической) обработкой.

10. Червячные колеса

Червячное колесо работает в сложных условиях тре­ ния скольжения и высокого контактного давления о чер­ вяк. Материал колеса должен быть мягче материала червяка, но достаточно твердым, и не задираться о сталь при трении. Для изготовления червячных колес пригод­ ны (в порядке убывания нагрузочной способности): ме­ таллокерамические композиции порошков твердых ме­ таллов с добавками мягких, бронзы, древесные пласт», ки, текстолит, чугун (табл. 6, 11 и 23).

11. Подшипники скольжения

Материал подшипника скольжения должен обеспе­ чивать приработку трущихся поверхностей друг к другу, образование устойчивой пленки жидкой смазки с высо­

194

кой несущей способностью и безопасное для сопряжен­ ной стальной детали разрушение при отсутствии смаз­ ки. Он должен включать в себя компоненты разной твер­ дости, чтобы в момент пуска при отсутствии жидкой смазки мягкий компонент смог сыграть роль твердой смазки. При p - v > 200 кг/см2 м/сек применяют наплавоч­ ные антифрикционные сплавы — баббиты, свинцовистую бронзу и плотные металлокерамические композиции. При меньших значениях р • v могут быть использованы пори­ стые металлокерамические и неметаллические материа­ лы, пропитанные маслом, и антифрикционный чугун (табл. 6). При включении в состав композиции фторо­ пласта-4 при ограниченной мощности трения подшипни­ ки могут работать без смазки. Чистый фторопласт для подшипников непригоден из-за низкой теплопроводно­ сти и резкого возрастания коэффициента трения при перегреве.

12. Фрикционные диски, тормозные колодки

Материал тормозной колодки должен обеспечивать торможение, т. е. превращение энергии движения в ра­ боту трения при условии малого износа, и высокую усталостную прочность. Для фрикционного материала существенно высокое значение коэффициента трения, обусловленное микрошероховатостью поверхности, одна­ ко макрошероховатость — неполное прилегание трущихся поверхностей — недопустима ввиду концентрации нагрева в местах трения.

Фрикционный материал должен быть неоднородным и состоять из мягкой основы и твердых дисперсных час­ тиц, более тугоплавких, чем сталь, но и не имеющих острых кромок. Стойкость его к перегреву обеспечивается