CC BY
3
МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 672,11; 669; 621.3.032.59
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-144-145
ПРИМЕННЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО КРИТЕРИЯ КАЧЕСТВА ПРИ ПОДБОРЕ МАРКИ СТАЛИ ДЛЯ ДЕТАЛИ «КОРОТЫШ», ПРИМЕНЯЕМОЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ КРЫМСКОГО МОСТА
К.А. Голенцов
В статье представлено обоснование выбора марки стали для детали коротыш, используемой для строительства конструкции крымского моста. Сформулирован перечень свойств, которыми должна обладать сталь, используемая для изготовления крепежной детали, подобранна номенклатура сталей с требуемыми свойствами. Проведено сравнение сталей по критическому диаметру прокаливаемости с учётом возможного разброса в зависимости от колебаний химического состава, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. Рассчитан запас прочности по критическим температурам на основе данных о пороге хладноломкости (Т50) с учётом влияния диаметра детали, технологических факторов и температуры эксплуатации. Систематизированы данные по характеристикам механических свойств и относительной цене (ОЦ). Проведено сравнение комплекса свойств сталей с применением функции желательности.
Ключевые слова: функция желательности, коротыш стыка арматур, обоснование выбора марки стали, порог хладноломкости, механические свойства стали.
Ошибочный выбор материала относят к дефектам конструирования. Обусловлено это тем обстоятельством, что по сложившимся на отечественных предприятиях традициях материал для детали выбирают конструкторы, указывая конкретную марку на чертеже детали. Такой подход нельзя признать обоснованным, так как материаловеды имеют больший объём знаний о классах конструкционных материалов, их свойствах и областях применения. Однако даже совместная работа конструктора и материаловеда не гарантирует 100 % защиту от ошибок выбора, так как отсутствуют единые принципы выбора материала.
Однозначного и простого решения задачи выбора быть не может, поскольку при выборе марки стали необходимо обеспечение прочности, надежности и долговечности детали, следует также учитывать технологию её изготовления, экономию материала, специфические условия службы детали, возможность утилизации или рецик-линга материала после ресурсного отказа и ряд других факторов. Однако существуют и объективные сложности использования проанализированных комплексных критериев, заключающиеся прежде всего в отсутствии необходимой информации (например, по К1с, по стоимости материала, по коэффициентам вариации свойств и т.д.).
Целью настоящей работы стало обоснование выбора марки стали для детали «коротыш М22» стыка арматуры 20АШ, применяемого для строительства крымского моста, с помощью комплексного критерия качества.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Проанализировать условия работы детали стыка арматуры 20АШ коротыш М22 и определить перечень марок сталей, которые могут быть использованы для изготовления детали.
2. Провести сравнительный анализ марок сталей из составленного перечня по прокаливаемости и запасу прочности по критическим температурам хрупкости.
3. Выбрать марку стали для детали коротыш М22 стыка арматуры 20АШ по комплексному критерию качества.
Для создания стыков арматуры мостовых сооружений используют детали, которые называют «коротыш».
«Коротыш М22» — это элемент, который используется для соединения стыка двух стержней арматуры. Он обычно имеет форму короткого литого цилиндра, «коротыши» стыка арматуры используются для обеспечения прочности соединения между стержнями арматуры в железобетонных конструкциях, таких как фундаменты, стены, колонны и т.д. Они помогают распределить нагрузку между соединяемыми стержнями и предотвратить разрушение соединения при действии нагрузок.
Зачастую конструкторы назначают для его изготовления сталь 40Х, как широко распространённую и недорогую. При этом сравнения комплекса свойств стали 40Х со свойствами других свойств сталей, которые можно использовать для крепежа, не проводится. Отсюда нет уверенности, что назначенная конструктором сталь 40Х является оптимальным материалом для детали «коротыш».
В соответствии с требованиями чертежа деталь «коротыш» изготавливается из стали 40Х. После подвергается упрочняющей термической обработке, сталь должна приобретать прочностные свойства на уровне ав =930 МПа, а0,2= 785 МПа и твердость 32-36 Ш€э.
Деталь коротыш при эксплуатации подвергается одноосному растяжению (сжатию). Для таких условий изделие должно обладать равнопрочностью по всему сечению, что достигается идентичностью структуры. Таким образом, сталь, выбранная для изготовления детали, должна обеспечивать сквозную прокаливаемость.
Учитывая температурный диапазон при выборе марки стали следует ориентироваться на температуру хрупко-вязкого перехода стали. У стали 40Х сравнительно высокая температура хрупко-вязкого перехода (Т50), при
Машиноведение
которой вязкое энергоемкое разрушение сменяется на самопроизвольное хрупкое, развивающееся катастрофически без предшествующей пластической деформации. Поскольку снижение ударной вязкости при понижении температуры наблюдается в интервале температур, за критерий перехода обычно принимают температуру, соответствующую 50 % снижению энергии разрушения (Т50). Для стали 40Х после аналогичной термической обработки она приблизительно составляет -50 °С [1].
Для изготовления крепежной детали могут использоваться различные марки сталей, в зависимости от требований к качеству изделия и условий эксплуатации. Согласно ГОСТ 1759.0-87 «Болты, винты, шпильки и гайки. Технические условия», могут применяться следующие марки сталей: 35Х, 38ХА, 45Г, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА, 45Х, 40ХН, 38ХГН, 40ХС, 40ХН2МА.
Для сравнения комплекса свойств сталей использовали комплексный показатель качества - функцию желательности Харрингтона.
Для изготовления детали коротыш конструктором выбрана сталь- 40Х. Некоторые выплавки стали 40Х ограниченной прокаливаемостью, критический диаметр прокаливаемости в масле на 50% мартенситную структуру, составляет 16-48 мм. Большинство факторов, структурных, технологических, влияют в сторону снижения прокали-ваемости.
Деталь коротыш имеет номинальный диаметр 22 мм, значит минимальное значение dк стали должно быть больше или равно сечению образца т.е. 22 мм. Сравнение диаметра детали и критического диаметра прокаливаемо-сти стали 40Х представлено на рис.1.
йцднетр
~г о
WX
¿S
Л. мм
и п пг^ | ' I г
5 10 15 20 25 30 35 40 45 " 50 Рис. 1. Сравнение диаметра детали и критического диаметра прокаливаемости стали 40Х
Из рис. 1 видно, что минимальное значение диапазона dк стали 40Х меньше диаметра детали. Из этого следует вывод, что сталь 40Х не подходит для изготовления коротыша d=22 мм. Для гарантированного обеспечения равнопрочности по сечению детали необходимо использовать легированную сталь с большей прокаливаемостью.
Сравним прокаливаемость сталей, применяемых для изготовления крепежных деталей из ГОСТ 1759.0-87 «Болты, винты, шпильки и гайки. Технические условия.»: 35Х,38ХА, 45Г, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА, 45Х, 40ХН, 38ХГН,40ХС, 40ХН2МА с диаметром детали (рис. 2). Прокаливаемость сталей взята из [2].
Лиаметр детали
1-Г"
п «
-1-Г-1-1— г
w es w ч ев
ÖK, мм
V -1——I-1-г-1—'"Г-г--г-
0 5 Г 15 Л 3 30 35 ¡0 Й е,0 а! 10 7! X!
Рис. 2. Сравнение диаметра детали и критического диаметра прокаливаемости сталей - 35Х, 38ХА, 45Г, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА, 45Х, 40ХН, 38ХГН,40ХС, 40ХН2МА
Из рис. 2 можно сделать вывод, что не подходят стали 45Г, 35Х, 45Х, 40Х, которые не обеспечивают сквозную прокаливаемость детали коротыш. При дальнейшем рассмотрении сталь 40Х оставляем т.к. она является рекомендованной для изготовления, остальные стали dx которых меньше диаметра детали - исключаем из последующего анализа.
Следующим шагом произвели отбор сталей по запасу прочности по критическим температурам хрупкости. Порог хладноломкости Т50 определяют путем сериальных испытаний образцов стандартной формы сечением 1 см2 [3]. Хорошо известно, что условия работы реальной конструкции отличаются от условий лабораторных испытаний. В зависимости от диаметра детали и технологических факторов температура может повышаться на 20 °C и бо-
тт грдетали i
лее. Поэтому Т£д высчитывается по формуле:
тДетали = Ш +ДТкр [1], (1)
где Т50 - порог хладноломкости; ДТкр- смещение критических температур в следствие влияния технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов. Меняется от 20 до 40 °C.
При ударном инициировании трещин критические температуры существенно зависят от уровня напряжений. Увеличение диаметра образца и номинальных растягивающих напряжений приводит к увеличению критических температур. В [1] приведено влияние уровня напряжений и диаметра образца на приращение критических температур. Для детали, рассматриваемой в настоящей работе с диаметром 22 мм, ДТкр=20°С
Запас прочности по критическим температурам хрупкости [1] рассчитывали по формуле:
ЛТ =ТЭ _тДетали (2)
Лт запас 1 min 1 хл ?
где T^in- минимальная температура эксплуатации детали.
Среднегодовая температура воздуха в Керчи +19 °С. Минимум наблюдается в январе, феврале, это -2,8 °С, максимум в июле, августе + 35-37 °С. Однако, зимой 1940 температура в Керченском проливе опустилась до рекордного минимума -25 °С. Такая низкая температура в Керчи редкость, но случаи в истории бывали и могут повториться в будущем, поэтому принимаем равной за -25 °С
Значение Т50 сталей 38ХА, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА, 40ХН, 38ХГН, 40ХС, 40ХН2МА определены в [1].
Определяем тдетали сталей 38ХА, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА, 40ХН, 38ХГН, 40ХС, 40ХН2МА по формуле (1) (табл. 1).
Запас прочности по критическим температурам хрупкости для сталей: 38ХА, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА, 40ХН, 38ХГН, 40ХС, 40ХН2МА рассчитывали по формуле (2) (табл. 1).
Таблица 1
Запас прочности по критическим температурам хрупкости для сталей 38ХА, 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, _40ХНМА, 40ХН, 38ХГН, 40ХС, 40ХН2МА_
Марка стали 38ХА 40Г2 40Х 30ХГСА 35ХГСА 40ХНМА 40ХН 38ХГН 40ХС 40ХН2МА
ЛТ °С запас» -5 -25 5 -25 -25 40 20 -20 -5 40
Допустимый запас прочности по критической температуре хрупкости принимают в пределах от 20°С до
40°С [1].
Рассчитанные Значения ДТзапас для анализируемых сталей приведены на рис. 3.
Лопустиный диопоюн зогшо прочности
игг
35ХГСА ЗОХГСА
ЮХИ
| | | | [ [ | т | | | -
-30 -25 -20 -15 -Ю -5 О 5 Ю В 20 25 30 Я Ш 45 50
Рис. 3. Запас прочности по критическим температурам хрупкости сталей
Запасы прочности сталей 40Г2, 30ХГСА, 35ХГСА, 38ХГН, 40ХС, 38ХА для условий эксплуатации не входят в диапазон 20-40 °С.
При выборе марки стали необходимо учитывать фактор стоимости. В связи с тем, что в последнее время цены очень нестабильны, целесообразно оперировать относительными их величинами. В качестве базового с минимальной ценой (ОЦ), равной 1, принят прокат сортовой углеродистой стали обыкновенного качества круглого и квадратного сечения (Ст1-Ст6). Данные по ОЦ 40Х, 40ХН, 40ХНМА, 40ХН2МА взяты из [1] (таблица 2).
Таблица 2
Стоимость сталей 40Х, 40ХН, 40ХНМА, 40ХН2МА в соотношении со стоимостью проката стали Ст1-Ст6 [1]_
Марка стали Стоимость, ОЦ
40Х 1,12-1,30
40ХН 1,62-1,78
40ХНМА 2,14-2,35
40ХН2МА 2,35
В соответствии с требованиями чертежа деталь коротыш изготавливается из стали 40Х и подвергается упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки (860 °С, масло) и отпуска (460 °С, 2 часа). В результате сталь должна приобретать прочностные свойства на уровне Ов =930 МПа, 00,2= 785 МПа и твердость 32-36 НЯСэ. В табл. 3 указаны характеристики механических свойств всех сравниваемых сталей: 40Х, 40ХН, 40ХНМА, 40ХН2МА [1].
Таблица 3
Характеристики механических свойств сравниваемым сталей __
Марка стали Состояние поставки режимы ТО Сечение, мм О 0,2, МПа ов, МПа 5, % % КСи, Дж/см2 НЯСэ
40Х Пруток. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500°С, вода или масло. 25 780 980 10 45 59 34
40ХН Пруток. Закалка 820 °С, вода или масло. Отпуск 500°С, вода или масло. 25 785 980 11 45 69 35
40ХНМА Пруток. Закалка 850 °С, масло. Отпуск 620°С, масло 25 850 980 12 55 98 36
40ХН2МА Пруток. Закалка 850 °С, масло. Отпуск 620°С, вода. 25 930 1080 12 50 78 36
Стали 40ХН, 40ХНМА, 40ХН2МА подходят для изготовления детали коротыш по характеристикам механических свойств, запасу прочности по критическим температурам хрупкости, даже с учетом разброса значений критического диаметра обеспечат сквозную прокаливаемость, но имеют разную цену.
Таким образом возникла необходимость сравнить стали по целому ряду свойств. В подобных случаях целесообразно использовать комплексные характеристики качества, в частности, функцию желательности Харрингто-на [4].
Машиноведение
Сталь 40Х, несмотря на ее несоответствие некоторым требуемым характеристикам, тоже будет участвовать в сравнении, так как она рекомендована конструктором для изготовления детали коротыш.
Для удобства включим в одну таблицу все нужные характеристики сталей (табл. 4).
Таблица 4
Комплекс свойств сталей- 40ХН, 40ХНМА, 40ХН2МА, 40Х._
Марка стали Свойства
Прокаливаемость, ср. знач. Запас прочности, °С Механические свойства Стоимость, от. ед.
О 0,2, МПа ов, МПа 5, % % кси, Дж/см2 HRCэ
40Х 32 5 780 980 10 45 59 34 1,12
40ХН 55 20 785 980 11 45 69 35 1,62
40ХНМА 92,5 40 850 980 12 55 98 36 2,14
40ХН2МА 114 40 930 1080 12 50 78 36 2,35
Использование функции желательности предполагает операции с кодированными переменными. По кодированным значениям определяем частную функцию желательности каждого свойства сравниваемых сталей.
Кодируемые значения и соответствующие им частные функции желательности свойств (3) представлены в табл. 5 (кодированные значения приведены в числителе, частные функции желательности - в знаменателе. В последнем столбце табл. 5 приведены значения обобщенной функции желательности для каждой сравниваемой стали
а (4)
Таблица 5
Кодированные значения и частные функции желательности свойств. __
Марка стали Прокаливаемость Запас прочности о" О о" ю кси э ^ Стоимость а
40Х 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0,4
0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 0,95
40ХН 0,84 1,28 01 0 1,51 0 0,76 1,51 1,78 0,58
0,65 0,75 0,4 0,37 0,8 0,37 0,62 0,8 0,84
40ХНМА 2,54 0,92 0, 9 (л 1,4 0,78 0 0,37 0, 9 (л 0, 9 (л 0, 9 (л 0, 9 (л 0,51 0,54 0,78
40ХН2МА 0, 9 (л 0, 9 (л 0, 9 (л 0, 9 (л 0, 9 (л 1,51 0,8 1,46 0,79 0, 9 (л 0 0,37 0,82
Ниже приведены расчёты по данным, представленным в табл. 5.
йи1 = ехр(— ехр(-у„£')), где [4], (3)
где и - свойство; [ - марка стали; уи1 - кодированное значение свойств; йи1 - частная функция желательности.
= [4], (4)
где - обобщенная функция желательности материала.
Находим значение по формуле (4):
1. Для стали 40Х.
а1= (0.37-0.37-0.37-0.37-0.37-0.37-0.37-0.37-0,95) Л (1/9) = 0.4.
2. Для стали 40ХН.
а1= (0.65 0.75 0.4 0.37 0.8 0.37 0.62 0.8 0,84) л (1/9) = 0.58.
3. Для стали 40ХНМА.
а1= (0.92 0.95 0.78 0.37 0.95 0.95 0.95 0.95 0,54) Л (1/9) = 0.78.
4. Для стали 40ХН2МА.
а1= (0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.8 0.79 0.95 0,37) Л (1/9) = 0.82.
Используя функцию желательности как оценку при обосновании выбора наиболее подходящего материала для изготовления крепежной детали «коротыш» можно сделать вывод, что сталь 40ХН2МА имеет наибольшее значение функции желательности, это означает, что она является самой желательной. Однако эта сталь самая дорогая, на втором месте стоит сталь 40ХНМА, не сильно уступает предыдущей стали, но имеет более низкую цену.
Список литературы
1. Сильман Г.И. Материаловедение. Учебное пособие для вузов. Ч.2. Брянск: Изд. БГИТА, 2005. 97 с.
2. Кочанов Н.Н Прокаливаемость стали издание второе, переработанное полное -Москва «металлургия»
1978.
3. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах / 9454 78. введ. 01.01.1979 М.: Стандартинформ 01.10.2002. 10 с.
4. Филиппов М.А. Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении. Учебное пособие. 2-е изд., испр. Екатеринбург, Издательство Урал. 2013. 236 с.
Голенцов Кирилл Алексеевич, магистрант, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICATION OF A COMPREHENSIVE QUALITY CRITERIA IN THE SELECTION OF STEEL GRADE FOR THE "SHORT" DETAIL USED IN THE CONSTRUCTION OF THE CRIMEA BRIDGE
K.A. Golentsov
The article presents the rationale for the choice of steel grade for the short section used for the construction of the Crimean bridge structure. A list ofproperties that steel used for the manufacture of fasteners must have has been formulated, and a range of steels with the required properties has been selected. A comparison of steels was carried out according to the critical diameter of hardenability, taking into account possible scatter depending on fluctuations in the chemical composition, grain size, size and shape of the product and many other factors. The safety factor for critical temperatures was calculated based on data on the cold brittleness threshold (T50) taking into account the influence of the part diameter, technological factors and operating temperature. Data on the characteristics of mechanical properties and relative price (RP) are systematized. A comparison of the set ofproperties of steels using the desirability function was carried out.
Key words: desirability function, shortness of the reinforcement joint, justification for the choice of steel grade, cold brittleness threshold, mechanical properties of steel.
Golentsov Kirill Alekseevich, master's, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.621
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-148-149
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ В ЧЕТЫРЁХШАРИКОВОМ УЗЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ТВЁРДОЙ СМАЗКИ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА
А.Д. Бреки, И.А. Шульгин, Д.В. Зимин, Р.В. Алероев, Д.И. Данилогорский, Л.А. Плетнев, С.Г. Чулкин, Н.Е. Стариков, Б.М. Горшков
В статье реализована проверка математической модели, описывающей зависимости коэффициента трения скольжения от температуры на примере фрикционного взаимодействия пары сталь по стали через смазочные покрытия. Проверка реализована посредством обработки и анализа экспериментальных данных, полученных при фрикционном взаимодействии четырёх шаров из стали ШХ15 с нанесёнными на них покрытиями. Введены новые триботехнические характеристики, которые позволяют более детально охарактеризовать фрикционное взаимодействие в смазанной четырёхшариковой системе «сталь-сталь» при изменении температуры.
Ключевые слова: математическая модель, трение скольжения, твёрдое смазочное покрытие, температура, фрикционное взаимодействие.
Известно, что твёрдые смазочные покрытия (ТСП) активно используются в качестве материалов трибо-технического назначения [1-5]. При этом давно известно, что из-за высокой температуры, возникающей при трении на поверхности твёрдых покрытий, развиваются различные физические и химические процессы на фрикционном контакте, влияющие на коэффициент трения. Коэффициент трения в случае приращения температуры в зоне трения ТСП с металлом, или между ТСП изменяется по сложным зависимостям, для которых в настоящее время ещё не создано соответствующих математических моделей. В связи с этим, в границах данной работы, предлагается новая математическая модель, описывающая закономерности влияния температуры на трение скольжения между ТСП одного вида, нанесённого на 4 шара в четырёхшариковой машине трения в условиях вакуума [9].
В работах [6-8] предложена следующая математическая модель, которая была использована для описания динамики изменения силы трения:
f(x) = УП С;ДХ + С;,2 (1)
IV J ¿^li+expC-^K*-^)).
Анализ данных работы [9] позволил предположить, что зависимость коэффициента трения ТСП от температуры, может быть представлена с использованием (1) следующим образом:
f =JTiT+f0 + (2)
где 'ф — резкость изменения коэффициента трения при качественном изменении состояния фрикционного контакта, /0 — коэффициент трения при 00С, JTl — эмпирические коэффициенты, характеризующие интенсивность изменения коэффициента трения, Т— температура, Тп — значение температуры, соответствующее максимальной интенсивности изменения коэффициента трения.
В работе [9] О.В. Лазовской и Р.М. Матвеевским получены важные зависимости коэффициента трения от температуры при фрикционном взаимодействии четырёх шаров из стали ШХ15 с нанесёнными на них ТСП [9]:
-дисульфид молибдена, натёртый в слой серебряного покрытия;
- дисульфид молибдена со связующим силикатом натрия;
- дисульфид молибдена с кремнийорганическим связующим (материал смола К-55);
- графит с кремнийорганическим связующим (смола К-55);
- оксид свинца, нанесённый из бентонитовой суспензии с последующим оплавлением.
Условия испытаний: скольжение стального шара по трём нижним шарам с частотой 0,3 об/мин, при нагрузке 1,43кГс, в диапазоне температуры от 0 до 7000С в вакууме (рабочее разряжение в вакуумной камере 5...7*10"5 мм рт. ст.). Авторами [9] установлены зависимости коэффициента трения от температуры в графическом виде, однако не было найдено их аналитического представления. В данной работе реализована точная оцифровка графиков из работы [9] и осуществлена аппроксимация выявленных точек с использованием формулы (2).
