5.3. Конструктивные показатели технических изделий

Конструктивные показатели характеризуют основные проектно-конструкторские решения, удобство монтажа и установки, возможность агрегатирования и взаимозаменяемости продукции. Для продукции, на которую разработана конструкторская документация, применение конструктивных показателей при оценке уровня качества обязательно.

К конструктивным показателям относятся: коэффициент сборности (блочности), уровень механизации или автоматизации ра­боты изделия, удельные размеры, присоединительные размеры, многофункциональность, коэффициент эффективности взаимозаменяемости отдельных частей изделия, наличие дополнительных устройств (таких, как домкрата для автомобиля и другой оснастки) и т.п.

Коэффициент сборности (блочности) изделия характеризует простоту и удобство его монтажа и представляет собой часть, долю конструктивных элементов в общем количестве элементов изделия. Коэффициент сборности (блочности) изделия определяют по формуле:

где Q_с - количество специфицируемых составных частей изделия;

q_n - количество неспецифицируемых составных частей изделия;

Q_об = Q_c +Q_n — общее количество составных частей изделия.

Количество специфицированных и неспецифицированных частей изделия определяют из сведений о составе изделия, содержащихся в спецификации — разделе конструкторской документации.

Уровень механизации или автоматизации определяется показателем относительной экономии живого труда в оцениваемом варианте производства работ по сравнению с базовым:

где ΣА_баз— суммарные затраты физической энергии рабочих на изготовление предмета труда в базовом варианте технологического процесса, МДж;

ΣА_оц — суммарные затраты энергии в оцениваемом варианте технологического процесса, МДж.

Относительная экономия труда У_м подобна коэффициенту эффективности Е, обычно определяемому с помощью стоимостных показателей. Поэтому для оценки соответствия уровня механизации современным темпам технического прогресса возможно установить нормативное значение коэффициента эффективности совокупных затрат прошлого и живого труда. Подобный норматив используют на практике только для оценки эффек­тивности капитальных вложений, который составляет меньшую часть совокупных затрат.

Рассмотренная формула позволяет получить показатель уровня эффективности экономии труда или технико-экономический уровень оцениваемой техники по критерию механизации:

У= 1 + У_М > 1,

показывающий, во сколько раз оцениваемый образец эффективнее или хуже базового. Показатель У является критерием эффективности техники, в полной мере соответствующим критерию эффективности — росту производительности совокупного труда в новом варианте производства работ.

Конструктивные показатели технических изделий рассчитывают преимущественно на этапе их разработки (при проектиро­вании и конструировании), но учитывают и на всех последующих этапах жизненного цикла образцов техники.

5.4. Показатели состава и структуры продукции

Показатели состава и структуры технических изделий входят в подгруппу конструктивных показателей. А вот показатели состава и структуры различных материалов, а также их связь с потребительскими свойствами рассматриваются самостоятельно в силу их специфичности.

Известно, что качество любого материала зависит от его химического состава и внутренней структуры, формирующейся в естественных условиях или в процессе технологической обработки. В результате этого получаются материалы с вполне определенными свойствами, совокупность которых и есть их качество. Объективно существует логическая цепочка: химический состав — технология — структура — свойства материала. Содержательно эту фактическую взаимосвязь изучают материаловедение и технология материалов. Однако для оценки качества материалов как технической продукции материаловедческие све­дения обрабатываются в соответствующие квалиметрические по­казатели качества и уровня качества оцениваемого материала.

Показатели состава и структуры выражают количество в обработанных материалах примесных химических элементов и структурные состояния этих материалов. Показателями состава материала являются: процентное содержание компонентов (например, количество легирующих элементов и их процентное со­держание в стали); процентное содержание серы и золы в коксе; концентрация различных примесей в кислотах, в щелочах, в минеральной воде и в других средах.

Вообще говоря, вся совокупность свойств любой продукции определяется ее внутренним строением, в свою очередь завися­щим от состава. Это происходит по причине единства структуры, что обусловливает взаимосвязь свойств между собой и дает возможность по структуре судить о всех свойствах, а по одним свойствам оценивать другие. Так, например, механические свойства уг­леродистых сталей можно узнать по их химическому составу и структурам, а при необходимости — по магнитным свойствам, т.е. не используя разрушающие методы определения и контроля потребительских свойств.

Структура материала имеет свои иерархические уровни: макроструктура, микроструктура, субструктура, мезоструктура, межатомная (например, кристаллическая). Комплекс потребительских свойств материала предопределяется структурами всех уровней. Однако установлено, что отдельные свойства и их еди­ничные показатели обусловлены преимущественно структурой того или иного уровня. Это обстоятельство вызывает необходи­мость знать количественные зависимости характеристик свойств от показателей соответствующих структур.

Состав и структура материала как основа различных его свойств позволяют составить модель и установить математическую зависимость показателей потребительских свойств от показателей структуры и состава. Приведем несколько примеров обусловленности показателей прочности сталей от их состава, а потом и от их структур.

На рис. 12 показаны зависимости ряда механических свойств сталей в отожженном состоянии от процентного содержания в них углерода — С.

На рис. 12 отражены изменения следующих свойств: σ_в — предел прочности, т.е. наибольшее напряжение, которое возникает в образце в процессе его разрыва; σ_0,2 — условный предел текучести; δ — относительное удлинение; ψ — относительное сужение; НВ — твердость по Бринелю; KCV — ударная вязкость остро надрезанного образца. Структура сталей: от феррита и феррита + перлита до перлита (при 0,8 %Q и перлита + цемен­тита вторичного (при С >0,8%).

Известна зависимость, например, твердости закаленной стали (структура мартенсита — пересыщенного твердого раствора углерода в железе) от количества в ней углерода. На рис. 13 приведен график этой зависимости, где HRC — твердость по Роквеллу (шкала Q.

Упрочнение при образовании структуры твердого раствора может быть определено по формуле, полученной Моттом и Набарро для предела текучести:

σ_т = G ε² C,

где G — модуль упругости на сдвиг;

ε — параметр, зависящий от различия атомов растворенного компонента r и растворителя r₀ (ε =(r-r_o)/r_o);

С — атомная концентрация растворенного компонента.

Известны зависимости практически всех потребительских свойств углеродистых и многих других сталей от содержания в них углерода. Это позволяет, зная состав стали по углероду, указать, с достаточной точностью численные значения характеристик свойств, что во многих случаях является важным приемом в процессе определения показателей качества (или уровня качества) исследуемой стали по сравнению с другими.

Рассмотрим теперь пример того, как связаны структуры со свойствами сталей. На рис. 14 показано соответствие механических свойств углеродистой стали ее структурам после закалки и отпуска, осуществленного при различных температурах. Из рисунка 14 видно, что для любой конкретной стали по ее структуре с определенными количественными характеристиками легко найти значения механических свойств. Этим приемом пользуются часто.

Установлено, что весьма эффективным является упрочнение металлических материалов в результате измельчения их зеренной микроструктуры. Зависимость предела текучести σ_т от диаметра зерна d определяется формулой Холла-Петча

σ_т = σ₀ + kd^1/2,

где σ₀ — сопротивление микродеформациям (трение) кристаллической решетки;

к — коэффициент прочности блокировки дислокаций (искажений) в кристаллической решетке примесными атомами;

d — диаметр зерна;

Параметры σ₀ и к — постоянные величины для данного металлическо­го материала.

Усталостная прочность металлических материалов σ_R также зависит от размеров его зеренной микроструктуры и рассчитывается по формуле:

σ_R = σ_R0 + K_R d^-1/2,

где σ_R0 и K_R — постоянные величины, зависящие от природы материала;

d — диаметр зерна.

Размер зерна в сталях оценивают в натуральных величинах или в баллах (по ГОСТ 5639-65).

Оценку влияния внутрикристаллической структуры на предел текучести сплава можно рассчитать по формуле:

σ_m = σ₀ + α Gb√ρ

где σ₀ — напряжение сдвига до упрочнения (после отжига);

b — вектор Бюргерса;

α — коэффициент, зависящий от природы металла, его кристалличес­кой решетки и микроструктуры;

G — модуль сдвига;

ρ — плотность дислокаций (субмикродефектов кристаллической ре­шетки) в пределах от 10⁶ до 10¹³ см"².

В приведенных выше примерах показана методика количественной оценки механических свойств сталей по их составу и структурным характеристикам. Аналогичные методики исполь­зуются при оценке качества других материалов.