МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ
Основные требования к пружинным материалам
Стали и сплавы с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения; в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок и т.н.
Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости разрушения, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратко ироменного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном ста-i ическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.
Релаксационная стойкость оценивается сопротивлением релаксации напряжений. Релаксация напряжений характеризуется снижением рабочих напряжений в изделии от о\ до ог при заданной упругой деформации ■ | (рис. 12.1). Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе нами упругой деформации в пластическую (е0ст) упругие элементы после разгрузки изменяют размеры и форму. Например, долгое время сжатая пружина или изогнутая пластина реле при снятии нагрузки полностью не распрямляются и теряют упруi ис и эксплуатационные свойства.
|
|
|
|
|
Релаксация напряжений происходит путем микропластической деформации, которая совершается в отдельных зернах и накапливается во времени. При напряжении ниже предела упругости микропластическая деформация может быть вызвана изгибом дислокаций или срывом отдельных из них с мест закрепления при малых напряжениях и перемещением заторможенных дислокаций при повышенных напряжениях.
| Рис. 12.1. Диаграмма деформации, объясняющая релаксацию и упругое последействие |
В связи с этим для достижения в сплаве высокого предела упругости и релаксационной стойкости необходимо создать стабильную дислокационную структуру, в которой прочно заблокированы не большинство, а практически все дислокации. Кроме того, такая структура должна иметь невысокий уровень микронапряжений, которые, суммируясь с рабочим! напряжениями, облегчают перемещение дислокаций.
Для закрепления дислокаций используют все средства создания эффективных барьеров: легирование, повышение плотности дислокаций, выделение дисперсных частиц вторичных фаз. Наиболее благоприятную субструктуру, обеспечивающую высокие упругие свойства, формирует термомеханическая обработка. Ее успешно применяют для всех пружинных сплавов.
|
|
|
12.2. Рессорно-пружинные стали
Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию, равную <7о,002/-Е1- В связи с этим их применяют для изготовления жестких (силовых) упругих элементов. Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении. Кроме того, они находят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения.
Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5 - 0,7%), которые подвергают закалке и отпуску при 420 - 520 °С.
со,002 — условный предел упрукхпи (0,002 • допуск на остаточную деформацию).
|
|
|
|
|
| 150 250 350 г, °С Рис. 12.2. Зависимость механических свойств пружинной стали (0,6 % С, 2 % Si) от температуры отпуска |
Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел упругости. Он заметно повышается при отпуске, когда образуется структура тро-ос'1'ита (рис. 12.2). В этой структуре феррит из-за сильного фазового наклепа имеет высокую плотность малоподвижных дислокаций, которые, кроме того, эффективно блокируются дисперсными карбидными частицами. Поэтому троостит отличается стабильной дислокационной структурой.
Кроме высоких упругих свойств отпуск на троостит обеспечивает некоторое повышение пластичности и вязкости разрушения (особенно в сталях, не склонных к отпускной хрупкости), что важно для снижения чувствительности к концентраторам напряжений и увеличения предела выносливости.
Хорошие результаты дает также изотермическая закалка на структуру нижнего бейнита. Она обеспечивает высокие механические свойства при малой деформации изделий.
Небольшие пружины простой формы изготовляют из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, i ргПующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Термической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штамповкой.
|
|
|
Сталь для рессор поставляют в виде полосы. Нарезанные из нее за-ииовки закаливают в специальных штампах с определенной стрелой про infiii, затем отпускают и собирают в виде пакета. Рессорно-пружинные . шли 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г (ГОСТ 14959-79) характеризуют-( м невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не притяни для работы при температурах выше 100°С. Из-за низкой про наливаемоети из них изготовляют пружины небольшого сечения.
Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959 79) относят-i и к перлитному классу- Основными легирующими элементами в них ■ илякпея Si (1 .'?%), Мп (~ 1 '/), а в сталях более ответственного на «п.пении ('г (~ I '/-), V (~ 0, 15'/) и Ni (< 1,7%). Легирование (за
| 12.3. Материалы для упругих элементов приборостроения |
исключением Si и Мп) мало влияет на предел упругости — главную характеристику этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более длительную и надежную работу.
Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА применяют для пружин и рессор толщиной до 18 мм. Стали стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию — опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. Ее преимущественно применяют для рессор толщиной до 14 мм.
Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520°С), обладают теплостойкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300 °С.
Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях соответственно до 50 и 80 мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.
Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: сгв > 1800 МПа; <т0,2 > 1600 МПа; «5 > 5 %; ф > 20 %. Их предел упругости составляет ffn.oi = 880 ... 1150 МПа, а твердость — 38 - 48 HRC. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении — 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5 2 раза.
Упругие элементы приборов, кроме высоких пределов упругости, им нослиности и релаксационной стойкости, должны обладать высокой кор розионной стойкостью, немагнитностью, электропроводностью.
|
|
Одно из важнейших эксплуатационных требований — точная и стабильная характеристика. Характеристикой называют зависимость деформации е упругого элемента от приложенной силы Р (или напряжения) (рис. 12.3). Примером характеристики пружины является зависимость ее осадки от силы сжатия; пластины реле — зависимость перемещения свободного конца от действующей на него силы.
| Рис. 12.3. Характеристики двух упругих элементов |
Характеристика упругого элемента чолжна быть линейной, иначе нельзя обеспечить необходимую точность прибора.
Кроме того, она должна допускать возможно большее упругое перемещение. Чем оно больше при одной и той же силе, тем выше чувствительность упругого элемента. На рис. 12.3 видно, что при одинаковой силе Рг УФУ к>с перемещение первого элемента больше, чем второго (е\ > £2)- В Ре" плыате первый упругий элемент обеспечит большую чувствительность и меньшую относительную ошибку измерения.
Качество упругого элемента определяется также силой, необходимой пли создания определенной упругой деформации. Чтобы вызвать деформа пик), равную £\ (см. рис. 12.3), для первого элемента требуется меньшая ( ила, чем для второго, поэтому качество его выше.
Характеристика упругого элемента зависит от его конструкции (чи i i.i витков пружины, диаметра проволоки и т.п.) и упругих свойств ма м'риала: модуля и предела упругости. Угол наклона характеристики к
0. и деформации (см. рис. 12.3) определяется модулем упругости. Чем он
меньше, тем больше упругая деформация, наибольшая величина которой
пих СТ0,002/^- Стали, имея высокий модуль упругости, не обеспечива
1. и высокой чувствительности упругих элементов приборов. Для их из
мнииления используют сплавы на основе меди (бериллиевые бронзы), ко
lopuc при практически одинаковом со сталями пределе упругости имеют
1К1Ч1 и в 2 раза меньший модуль упругости. Различие в модуле упругости
них материалов иллюстрирует рис. 12.3; характеристика / соответстну
v I Ьронзам, характеристика 2 сталям.
|
|
Рабочее напряжение упругого элемента должно быть ниже предела упругости материала, так как при нагружениях, близких к пределу упругости, в сплавах проявляются неупругие эффекты, ухудшающие работу элемента и всего прибора. Чем выше предел упругости материала относительно рабочих напряжений, тем меньше неупругие эффекты и выше класс точности прибора.
К неупругим эффектам относят упругое последействие, релаксацию, гистерезис и внутреннее трение.
Упругое последействие проявляется в отставании части упругой деформации материала от напряжения. При быстром возрастании напряжения в упругом элементе до значения о\ (см. рис. 12.1) деформация будет соответствовать точке а и лишь спустя некоторое время достигнет своего истинного значения — точки Ь. В результате упругого последействия, которое называют «прямым» при нагружении и «обратным» при разгрузке, показания прибора, определяемые упругим элементом, будут отклоняться от истинных значений при быстрой смене нагрузки.
В результате релаксации (см. рис. 12.1) напряжение снизится до точки с. После разгрузки упругий элемент сохранит остаточную деформацию, и показания прибора не возвратятся на нуль.
Гистерезис проявляется в несовпадении характеристик упругого элемента при нагружении и разгрузке (рис. 12.4). В результате не совпадают и показания прибора, определяемые упругим элементом. Гистерезис вызван рассеиванием в материале энергии при упругих напряжениях. Мерой рассеивания упругой энергии является площадь петли гистерезиса. Гистерезис оценивают отношением максимальной ширины петли Г к наибольшей упругой деформации етах-
Перечисленные неупругие эффекты возникают из-за неоднородности строения реальных поликристаллов, вследствие чего в отдельных микрообъемах при невысоких напряжениях развивается микропластическая деформация.
Внутреннее трение проявляется при циклических напряжениях ниже предела упругости в результате необратимой потери энергии деформирования. Энергия деформирования теряется вследствие теплообмена в окружающую среду, расходуется на изгибание дислокаций и перемещение внедренных атомов, а в ферромагнитных материалах — на магнитно упругий эффект, связанный с механострикцией.
В идеально упругом материале при циклическом нагружении, частота которого совпадает с собственной частотой упругого элемента, и результате резонанса наблюдается резкое возрастание амплитуды колебаний элемента. В реальных поликристаллах амплитуда Л колебаний упругого элемента растет в некотором интервале частот, что является проявлением внутреннего трения. Ширину этою интервала на. высоте 0,7.<1ШЛХ
| Рис. 12.4. Петля упругого гистерезиса |
Рис. 12.5. Резонансная кривая упругого элемента
условились принимать за величину внутреннего трения (рис. 12.5). Отношение резонансной частоты /рез к ширине интервала Д/ называют добротностью.
Для того чтобы снизить неупругие эффекты, надо повысить сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. сформировать мало подвижную дислокационную структуру. Закрепление дислокаций в рассматриваемых сплавах осуществляется выделяющимися после закалки и старения высокодисперсными когерентными частицами вторичных фаз.
Требование стабильной дислокационной структуры реализовано в бериллиевых бронзах и железоникелевых сплавах.
Вериллиевые бронзы используют для изготовления упругих элемен тон ответственного назначения. Вериллиевые бронзы — это сплавы на медной основе с высоким пределом упругости и низким модулем упругости (ГОСТ 18175-78). Такое сочетание свойств обеспечивает малые неуиру i ие эффекты при больших упругих деформациях. Кроме этого, сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, электрической проводимо с п.к), немагнитностью, хорошей технологичностью.
Например, сплав БрБ2, в котором содержание бериллия составляет около 2%, после закалки и старения имеет предел упругости сто 002 -(НЮ МПа (табл. 12.1).
Увеличение содержания бериллия до 2,5% повышает предел упруго ( i и. Однако высокая стоимость бериллия ограничивает применение тако ю (плава. Широко используют сплав БрБНТ1,9, легированный титаном и никелем. Но упругим свойствам он мало уступает сплаву БрВ2,5.
Дальнейшее повышение предела упругости достигается микролеги роианием бериллиеных бронз бором (0,01 %) или магнием (0,1 %). Вводе нио лих поверхностно-активных элементов изменяет процессы старения к строну увеличения объемной доли выделяющихся частиц, степени их 1И( переносiи, а также плотности и равномерности их распределении.
Таблица 12.1. Химический состав и механические свойства
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 4160; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!