Свойства металла для конструктора: что из них попадает в чертёж, а что решает технолог

В чертеже нет слов «металл» или «неметалл»: там стоят марка, номер стандарта и, если повезло, твёрдость после термообработки. Всё остальное технолог выводит сам — режим резания, инструмент, охлаждение, припуск, цену и срок. Поэтому конструктору полезно знать, какие свойства материала он действительно фиксирует, а какие остаются за цехом. Разберём три группы свойств, сведём шесть популярных марок в одну таблицу и посмотрим, как каждое свойство превращается в рубли на счёте.

Что из свойств металла попадает в чертёж, а что решает технолог

Металлы отличаются от неметаллов (пластиков, керамики, резины) прежде всего пластичностью, хорошей тепло- и электропроводностью и способностью держать нагрузку без хрупкого разрушения. Для машиностроения этого различия достаточно: общую классификацию металлов здесь пересказывать незачем, важнее другое — какие из свойств конкретной марки работают на вас.

Свойства удобно разложить на три группы. Физические (плотность, теплопроводность, тепловое расширение) задаются самой природой сплава и не меняются термообработкой в сколько-нибудь заметной мере. Механические (σв, σ0,2, относительное удлинение δ, твёрдость) зависят от состояния: отжиг, закалка, старение. Технологические (обрабатываемость резанием, свариваемость, способность к гибке) показывают, как материал ведёт себя в цехе.

Марку записывают в графе 3 основной надписи по правилам ГОСТ 2.104-2006: обозначение материала и номер стандарта на него. Из этой строки технолог за минуту понимает, что перед ним — по составу, по группе обрабатываемости, по цене заготовки. Чтобы расчёт получился точным, нужны ещё состояние поставки и вид проката, и о них — ниже. Как мы считаем детали по чертежу, описано на странице механической обработки.

Физические свойства: плотность и теплопроводность

Физика материала проявляется в трёх ситуациях, о которых конструктор чаще всего не думает.

• Масса заготовки и цена за килограмм. Плотность стали около 7850 кг/м³, алюминиевого сплава Д16 около 2780, титана ВТ6 около 4430, латуни Л63 около 8440. Возьмите цилиндр диаметром 50 и длиной 100 мм: сталь весит около 1,5 кг, Д16 — около 0,55 кг, ВТ6 — около 0,87 кг. Заготовку из титана покупают по цене за килограмм, которая в разы выше стальной, и это надо помнить ещё на этапе выбора материала.
• Отвод тепла из зоны резания. Теплопроводность стали 12Х18Н10Т — около 15 Вт/(м·К), титана ВТ6 — около 7, углеродистой стали — около 50, алюминиевых сплавов — больше 100. Чем хуже металл отводит тепло, тем сильнее оно концентрируется у режущей кромки, а не уходит в стружку и заготовку.
• Тепловое расширение и измерение размеров. Размеры по чертежу относятся к нормальным условиям (температура 20 °C по ГОСТ 8.050-73). У алюминиевого сплава коэффициент линейного расширения примерно вдвое выше, чем у стали: на длине 100 мм нагрев на 10 К даёт около 0,023 мм против 0,012 мм у стали. При допуске 0,02 мм деталь, снятая со станка тёплой, показывает «годный» или «брак» в зависимости от того, когда её измерили.

Отсюда практический вывод: для деталей из алюминия и титана с жёсткими допусками в запросе стоит сразу указать, при какой температуре контролируется размер, и не удивляться, что контроль проводят после выдержки детали в термостатированном помещении.

Механические свойства: σв, σ0,2, δ и твёрдость — какие числа нужны в чертеже

Механические свойства определяют испытанием образца на растяжение по ГОСТ 1497-84, твёрдость — по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59, единица HB) или Роквелла (ГОСТ 9013-59, единица HRC). Что означает каждая величина:

• σв, предел прочности, МПа — максимальное напряжение перед разрушением образца. Показывает запас до слома, но деталь, как правило, деформируется раньше.
• σ0,2, предел текучести, МПа — напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2 %. Это практический порог: выше него деталь уже не вернётся в исходную форму. Если деталь не должна деформироваться в работе, расчёт ведут по σ0,2, а не по σв.
• δ, относительное удлинение, % — сколько материал способен пластично деформироваться до разрыва. Малое δ — материал хрупкий и плохо переносит удар.
• HB и HRC — сопротивление внедрению индентора. HB применяют для мягких и средних материалов (отожжённая сталь, алюминий, латунь), HRC — для закалённых сталей. Шкалы не взаимозаменяемы, пересчёт по таблицам приблизительный, поэтому в чертеже указывают ту шкалу, по которой будут контролировать.

Главный тезис раздела: число без состояния поставки не является свойством. Сталь 40Х в отожжённом виде — это материал твёрдостью до 217 HB, который режется без проблем. Та же 40Х после закалки с отпуском — это σв порядка 1000 МПа и твёрдость около 30 HRC, на которой инструмент снашивается заметно быстрее. Д16 в отожжённом состоянии мягкий и вязкий, в закалённом и естественно состаренном (Д16Т) прочность вырастает вдвое. Если в чертеже указано только «Д16», технолог по умолчанию берёт то, что есть на складе, а конструктор получает деталь с другими свойствами, чем рассчитывал.

Твёрдость в технических требованиях — способ задать прочность без прямого требования по σв: она проще проверяется на самой детали и не требует разрушающих испытаний. Поэтому для термообработанных деталей пишут «HRC 28…32» (или другой диапазон) и метод контроля, а σв оставляют для сертификата на заготовку.

Технологические свойства: обрабатываемость, свариваемость, гибкость

Технологические свойства — это вопросы, которые цех задаёт материалу.

• Обрабатываемость резанием. Можно ли снять припуск быстро, будет ли стойким инструмент и как поведёт себя стружка. Оценивают коэффициентом относительной обрабатываемости Kv по сравнению с эталонной сталью: у нержавеющей аустенитной стали и титановых сплавов он заметно ниже единицы, у латуни и алюминиевых сплавов выше. Зависит не только от марки, но и от состояния: закалённая сталь режется хуже той же стали в отожжённом виде.
• Свариваемость. Даст ли шов без трещин и потери свойств. Низкоуглеродистая Ст3 сваривается без ограничений. Закаливаемая 40Х склонна к трещинам в околошовной зоне, поэтому нужны подогрев перед сваркой и отпуск после неё — то есть свариваемость зависит от состояния поставки и термообработки. Алюминиевые сплавы типа Д16 сваривают плохо, титан требует защитной среды. Подробнее о сварке — на странице сварочных работ.
• Гибкость. Способность гнуться без трещин зависит от пластичности, толщины и направления проката относительно линии гиба. Минимальный радиус гиба — величина, которую называют под конкретную марку, толщину и оснастку, и заявлять его «в среднем» некорректно.

Сводная таблица: Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т, Д16, Л63, ВТ6

В таблице — справочные значения для шести марок. ГОСТ на химический состав (в первой колонке) механику не задаёт: она берётся из стандарта на вид продукции (лист, пруток, поковка) или из сертификата плавки. Где значение зависит от толщины и вида проката, дан ориентир с пометкой «около»; точное значение для вашей заготовки — по сертификату.

На что смотреть в таблице. Прочность 40Х после закалки и Д16Т в разы выше Ст3 и отожжённого Д16, но заплатить за это придётся обрабатываемостью или свариваемостью. Нержавеющая 12Х18Н10Т по прочности скромна, зато её теплопроводность втрое ниже, чем у обычной стали, — и это главная причина, по которой она обходится дороже. Титан ВТ6 при плотности вдвое ниже стальной прочнее почти всех сталей в таблице, но теплопроводность у него самая низкая. Л63 и Д16 по обрабатываемости — противоположный полюс: тепло уходит быстро, режимы можно поднимать.

Как каждое свойство меняет режим резания и цену детали

Режим резания — это скорость, подача, глубина, охлаждение и стойкость инструмента. Конкретные скорости в метрах в минуту зависят от станка, жёсткости системы и инструмента, поэтому здесь важнее направление и причина.

Из таблицы видно, что цена детали складывается из трёх частей: стоимость заготовки (плотность, вид проката), машинное время (обрабатываемость, теплопроводность) и расход инструмента (твёрдость, склонность к наклёпу). Две детали одинакового чертежа из Ст3 и из 12Х18Н10Т могут отличаться по цене в несколько раз, хотя размеры и допуски те же. Обработку нержавейки на токарных станках и титана на фрезерных мы считаем отдельными позициями именно поэтому.

Ориентиры по стоимости обработки конкретных материалов — на странице цен; точный расчёт возможен только по чертежу, потому что на цену влияют ещё и припуск, число установов и допуски. Если материал в чертеже не жёсткий, расчёт по двум вариантам марки покажет, сколько стоит выбор в пользу более «удобной» для станка стали.

Химическая активность и коррозия в паре: почему материал детали зависит от соседней

Металлы отличаются по химической активности, то есть по склонности отдавать электроны. Если два разных металла касаются друг друга и между ними есть влага (электролит), образуется гальваническая пара: более активный металл становится анодом и растворяется, менее активный — катодом и остаётся целым. Это и есть гальваническая, или контактная, коррозия. Корродирует не деталь «вообще», а именно тот металл, который активнее.

У алюминия и титана на поверхности всегда есть тонкая оксидная плёнка, которая защищает от коррозии в одиночку, но в паре с другим металлом плёнка не спасает. Нержавеющая сталь защищена пассивным слоем оксидов хрома, который держится, пока сталь имеет доступ к кислороду и не загрязнена углеродистой сталью.

Допустимые и недопустимые контакты нормирует ГОСТ 9.005-72 — в его названии прямо сказано «допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами». Свои «можно» и «нельзя» выдумывать не нужно: если в сборке встречаются разнородные металлы, сверяйтесь с таблицами стандарта для своих условий (влажность, атмосфера, наличие солей). Практические меры — покрытие, прокладка, смена марки крепежа — сводятся к одному: разорвать электрический контакт или закрыть металл от влаги. Покрытия, которые мы наносим, описаны на страницах гальванических покрытий и порошковой окраски.

Что вписать в чертёж и в запрос на расчёт

Чтобы технолог рассчитал деталь без уточняющих звонков, в чертеже или сопроводительном письме нужно шесть вещей:

1. Марка и номер стандарта в графе 3 (ГОСТ 2.104-2006), например «Сталь 40Х ГОСТ 4543-2016».
2. Состояние поставки или термообработка: «отжиг», «закалка + отпуск», Д16Т или Д16М. Без этого прочность в чертеже остаётся неопределённой.
3. Твёрдость и метод её измерения в технических требованиях: «HRC 28…32», а не просто «закалить».
4. Вид проката: лист, пруток, поковка, труба. От него зависят и механические свойства, и припуск.
5. Требования к покрытию и контакту с другими материалами: покрытие, изоляция, соседние детали из других металлов.
6. Допустимые аналоги марки, если вы готовы принять замену при отсутствии заготовки на складе.

Замену марки согласует конструктор, а не цех: у аналога отличаются не только числа в таблице, но и обрабатываемость, свариваемость и поведение в паре с соседними деталями. Если допустимые аналоги указаны заранее, срок не задерживается из-за переписки.

Пришлите чертёж или 3D-модель на расчёт — технолог проверит указанную марку, состояние и допуски, а если для вашей детали есть более удобный для обработки материал, подскажет его до запуска в работу.