а) Величина нагрузки и характер нагружения определяют требования по механическим свойствам; обычно они указаны в задании – чаще твердость и прочность (σВ или σ0,2).
Если твердость указана в единицах HRCЭ, то это высокая твердость и речь идет о сталях в термически упрочненном состоянии (закалка + отпуск). Величина твердости зависит от содержания углерода в стали и вида (температуры) отпуска. Максимальной твердости 60…65 HRCЭ соответствует низкий (≈200 °С) отпуск стали, содержащей ≥ 0,8 % С. Это инструментальные стали (для режущего, измерительного, холодноштампового инструмента) или цементованные низкоотпущенные детали (из цементуемых низкоуглеродистых сталей), поверхностный слой которых содержит такое же количество углерода.
Величина прочности (σВ) в заданиях указывается обычно для ответственных (нагруженных) деталей, изготавливаемых из качественных углеродистых и легированных сталей, обязательно упрочняемых путем закалки и отпуска. Вспомним, что окончательная структура и свойства (в частности σВ) стали зависят от температуры отпуска. Стали применяемые для разных групп однотипных изделий проходят присущий им вид отпуска (цементуемые – низкий, улучшаемые – высокий, рессорно-пружинные – средний виды отпуска), формирующий необходимый комплекс механических свойств. Все сведения по химическому составу, режимам термической обработки и механическим свойствам (включая σВ) основных групп конструкционных сталей обычно приводятся в учебной литературе в виде сводных таблиц (см., например, табл. 2.3.1 «Опорного конспекта»), поэтому, если группа сталей по назначению определена, величина σВ поможет выбрать конкретную марку (и режим термической обработки) стали.
Характер нагружения также является подсказкой в выборе марки стали и режима термической обработки. Динамические (ударные) нагрузки способствуют охрупчиванию материала. Поэтому соответствующие детали должны обладать повышенной ударной вязкостью и пластичностью. Известно, что эти характеристики улучшаются с уменьшением содержания углерода в стали и повышением температуры отпуска. Отсюда для таких деталей (валы, рычаги, ответственный крепеж и т.п.) должны применяться стали с содержанием углерода не выше 0,3…0,5 % после высокого отпуска.
Заметим также, что все промышленные цветные сплавы (за исключением титановых и бериллиевой бронзы) имеют прочность σВ ≤ 500 МПа, что существенно ниже прочности конструкционных сталей в термически упрочненном состоянии (σВ ≈ 1000…1700 МПа).
б) Особые условия работы
В основном это температура эксплуатации изделия и химическая активность окружающей среды – они определяют требования по особым физико-механическим свойствам.
Если в задании идет речь об эксплуатации нагруженных деталей машин при t > 600 °С (например, лопатки турбин), то это жаропрочные легированные стали и сплавы.
Если требуется выбор материала для инструмента, нагревающегося при работе до t ≤ 600 °С, то это могут быть штамповые стали для горячего деформирования металла (молотовые штампы, пресс-формы для литья под давлением) либо теплостойкие быстрорежущие стали и твердые сплавы на карбидной основе (рабочая t = 800…900 °С), используемые для режущего инструмента.
Для изделий, работающих в химически агрессивных средах, очевидно, нужны коррозионностойкие (нержавеющие) стали. Цветные сплавы также обладают высокой коррозионной стойкостью, но, как отмечалось выше, почти все значительно уступают сталям по прочности.