Материалы с высокими упругими свойствами реферат

Обновлено: 05.07.2024

Использование прецизионных сплавов с высокими упругими свойствами в приборостроении для изготовления упругочувствительных элементов различной измерительной аппаратуры. Рассмотрение термомеханического поведения материалов с эффектом памяти формы.

Рубрика	Химия
Вид	доклад
Язык	русский
Дата добавления	13.09.2014
Размер файла	1,6 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Студент групи 5-ХВ-57

1. Общие сведения

прецизионный сплав упругий термомеханический

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения б (ТКЛР) и модуля нормальной упругости в (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

ТКЛР сплава определяют с помощью дилатометра по относительному удлинению образца в заданном температурном диапазоне.

Согласно правилу Курнакова, в том случае, если компоненты образуют твердый раствор, то ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР этих чистых компонентов. Коэффициент линейного расширения б возрастает с повышением температуры (рис. 24.1). Однако сплавы Fe--Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рис. 24.2). Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от -100 до 100 °С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт Гийомом в 1897 году и назван инваром (лат. неизменный) из-за минимальных значений теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Рис. 1 Кривая расширения сплавов при повышении температуры

Рис. 2 Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe--Ni

Рис. 3 Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe--Ni

Для сплавов Fe--Ni инварного состава помимо низких значений ТКЛР характерна еще одна аномалия -- аномалия термического коэффициента модуля упругости ТКМУ. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же сплав Fe--Ni с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 24.3). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

В ферромагнитных сплавах Fe--Ni инварного типа велик уровень объемной магнитострикции -- изменения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.

ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой: б = б0 - Д, где б0 -- нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; Д -- составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.

Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагниченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов. В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может даже приобретать отрицательные значения, и их объем даже уменьшается.

Внешние растягивающие напряжения действуют на Fe--Ni-ферромагнетики инварного состава подобно магнитному полю и также способствуют проявлению объемной магнитострикции, обычно называемую в этом случае механострикцией. Высокий уровень механострикции в элинварных сплавах способствует аномальному изменению модуля упругости при нагреве. Влияние нагрева на модуль упругости элинварных сплавов может быть описано формулой Еt = Е0 (1 + вt), где Е0 -- модуль упругости обычных сплавов, в -- температурный коэффициент модуля нормальной упругости. В элинварных сплавах этот коэффициент всегда имеет положительное значение.

Снижение модуля упругости при нагреве обычных сплавов компенсируется составляющей за счет механострикции, что в итоге способствует стабилизации модуля упругости в широком температурном диапазоне.

Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкретного случая необходимо применение сплавов строго определенного химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизионными сплавами (от фр. precision), т. е. отличающимися высокой точностью химического состава.

Прецизионные сплавы с высокими упругими свойствами используются в приборостроении для изготовления упругочувствительных элементов различной измерительной аппаратуры. Эти сплавы подразделяют на ферромагнитные, с температурно-стабильным модулем упругости и немагнитные.

К ферромагнитным сплавам на железоникелевой основе принадлежит элинвар, обладающий малым температурным коэффициентом упругих модулей, а к немагнитным - дисперсионно-твердеющий сплав 47ХНМ, обладающий, помимо высоких упругих свойств, коррозионной стойкостью. Сплав имеет высокую пластичность при повышенных температурах, поэтому поддается ковке и прокатке.

Рис. 4 Зависимость температурного коэффициента линейного расширения сплавов системы Fe - Ni от состава

Для метрологии, геодезии и точного приборостроения важны сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения a. В сочетании с высокой пластичностью они пригодны для спайки со стеклом и керамикой.

В приборах высокой точности необходимо сочетание большей упругости c малыми a. В зависимости от значений a ферромагнитные материалы делят на три группы: с минимальными a (Ј 3,5.10-6 1/°С); с низкими a ((4…6,5) .10-6 1/°С); со средними a ((7…12) .10-6 1/°С).

Сплавы с минимальными a используют в измерительной технике, а сплавы двух других групп - в основном для изготовления деталей приборов, имеющих спаи со стеклом, керамикой и другими материалами.

Большинство сплавов с заданным a однофазны во избежание объемных изменений при изготовлении и эксплуатации изделий. Широко используется инвар (36 % Ni, остальное Fe) и более сложные сплавы на его основе, а также железохромистый сплав Х18ТФ.

Особенностью этих ферромагнитных сплавов с заданным a является аномалия теплового расширения. Заключается она в том, что у сплава с 36 % Ni температурный коэффициент линейного расширения примерно на порядок ниже, чем у входящих в него чистых компонентов железа и никеля; а у сплава с 25 % Ni - он, наоборот, почти в два раза выше. Это различие наблюдается лишь для ферромагнитного состояния сплавов. При переходе в парамагнитное состояние температурный коэффициент линейного расширения значительно возрастает. Значения в ферромагнитном состоянии сплавов тем ниже, чем уже температурный интервал, в котором проявляется аномалия расширения. Увеличение температурного интервала, в котором железоникелевые сплавы сохраняют низкие значения a, достигается их легированием кобальтом и медью, сужение - легированием хромом.

К сплавам с минимальным тепловым расширением относятся 36Н, 39Н, а также 32НКД и 35НКТ. Для снижения величины a сплавы закаливают с 830…870 °С в воду, отпускают при 315 °С в течение часа и затем ~ 48 ч подвергают старению при 95 °С. При этом a = 1,7 .10-6 1/°С. Еще более низкие значения та получаются в результате отжига сплавов после холодной деформации на 60% (a = 0,3 .10-6 1/°С)

Сплав 36Н используют в точном машиностроении в интервале температур от 100 до - 269 °С. В интервале от 100 до - 60 °С также широко применяют железоникелькобальтовый сплав 32НКД и суперинвар.

Для деталей повышенной прочности и твердости и одновременно с заданным a используют дисперсионно-твердеющий сплав 35НКТ (35 % Ni; 5…6 % Сr; 2,2…2,8% Тi; не более 0,05 % С; 0,5% Со; ост. Fe). Для этого сплава в интервале температур от - 60 до + 60 °С a = 0,3 .10-6 1/°С.

Величина a сплавов и спаиваемых с ними неорганических веществ должны быть близки, а сами материалы не должны претерпевать фазовых превращений. Для этих целей используют сплавы 30НКД (29,5…30,5 % Ni; 13…14,2 % Со; 0,05% С; 0,3…0,5 % Сu; ост. Fe) и 29НК (28,8 % Ni; 17,8 % Со; 0,02 % С; ост. Fe).

Сплавы со средними величинами a - это 47ХНР (46…48 % Ni; 4,5…6,0 % Сr; ост. Fе) и 47НД (47,4 % Ni; 5,1 % Сu; ост. Fе).

Немагнитные сплавы с заданными температурными коэффициентами линейного расширения характеризуются средними значениями a и низкой магнитной восприимчивостью. К числу этих сплавов относят 75НМ (никельмолибденовый), 80НМВ и 70НВД (никельмолибденвольфрамовый и никельвольфрамовый, легированный медью до 1…2 %)

Эффект памяти формы (ЭПФ) в металлах, открытие которого по праву рассматривается как одно из самых значительных достижений материаловедения, в настоящее время интенсивно исследуется и ряде случаев успешно применяется в технике.

Научный интерес к этому явлению определяется стремлением познать физическую природу и механизм ЭПФ, что расширяет фундаментальные представления о неупругом поведении твердых тел. С практической точки зрения эти исследования стимулируются тем, что ЭПФ в металлах уже сейчас открывает широкие перспективы применения в технике, позволяя создавать элементы и устройства с принципиально новыми функциональными свойствами.

До недавнего времени неупругую деформацию рассматривали как пластическую и считали ее необратимой. Пластическая деформация кристаллов происходит за счет движения дефектов кристаллической решетки -- элементарных носителей деформации, в качестве которых выступают точечные дефекты и (или) дислокации. Важно подчеркнуть, что в общем случае расположение дислокаций и (или) точечных дефектов в новые последеформационные позиции после снятия нагрузки могут оказаться стабильными, т. е. не предпочтительнее исходных. Следствием этого является практически полная необратимость неупругой деформации. Наблюдающееся на практике механическое последействие, связанное с некоторым обратным перемещением дефектов после разгрузки, не превышает 10-4-10-3 относительной деформации и им можно пренебречь.

Наряду с вышеуказанными механизмами пластическая деформация может быть вызвана механическим двойникованием кристалла.

Исследованиями последних десятилетий установлено, что существует обширный класс материалов (сплавы на основе никелида титана TiNi, латуни и бронзы сложного состава и др.), у которых элементарный акт пластичности осуществляется за счет обратимого мартенситного превращения, упругого двойникования и ряда других процессов, коренным образом изменяющих закономерности неупругого деформирования. У этих сплавов, в частности, может наблюдаться полная или частичная обратимость неупругой деформации, называемая эффектом памяти формы.

В основе ЭПФ большинства сплавов лежат так называемые термоупругие мартенситные превращения (ТУМП). Теория мартенситных превращений основывается на фундаментальных представлениях о закономерном характере перестройки кристаллической решетки и когерентности сосуществующих фаз аустенита (А) и мартенсита (М), сформулированных Г.В. Курдюмовым (высокотемпературную фазу принято называть аустенитом, а низкотемпературную -- мартенситом).

Для сплавов с ТУМП характерна зависимость фазового состава от температуры, представленная на рис. 25.1.

При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться с некоторой температуры Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается с некоторой температуры Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак-Мн или Ан-Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рис. 25.1, а и б). При наличии механических напряжений температуры Мн, Мк,, Ан и Ак могут смещаться в сторону более высоких температур, и в этом случае их обозначают как , , и .

Рис. 5 Зависимость фазового состава сплава от температуры: а) широкий гистерезис; б) узкий гистерезис

Важно отметить, что при ТУМП (в отличие от обычных мартенситных превращений, например в сталях) межфазные границы между А и М сохраняют когерентность и являются легко подвижными. При охлаждении (прямое превращение) в интервале температур (Мн-Мк) зарождаются и растут кристаллы мартенсита, а при нагреве (обратное превращение) в интервале температур (Ан-Ак) кристаллы мартенсита исчезают (превращаются в аустенит) в обратной последовательности (рис. ).

Рис. 6 Рост и исчезновение кристаллов мартенсита при охлаждении и нагреве (сплав Cu--Al--Mn)

Для полного восстановления формы необходимо, чтобы мартенситное превращение являлось кристаллографически обратимым. Кристаллографическая обратимость превращения предполагает не только восстановление кристаллической структуры, зависящей от обратного превращения, но и восстановление кристаллографической ориентировки исходной фазы перед превращением. Кроме того, необходимо, чтобы деформация осуществлялась без участия скольжения, так как скольжение является необратимым процессом, и при нагреве деформация не устраняется.

Мартенситное превращение может инициироваться не только изменением температуры, но и порождаться механическими усилиями. В соответствии со сказанным, различают термомартенсит и механомартенсит, и при анализе фазовых диаграмм (рис. 25.1) вводят обычно еще три характеристических температуры: Т0, Мд, Ад, где Т0 -- температура термодинамического равновесия; Мд -- температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад -- температура, выше которой аустенит может появиться не только вследствие нагревания, но и под действием механических напряжений.

Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рис. 25.1, б) температура Мд может оказаться правее температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе -- левее этой температуры (рис. 25.1, а).

В сплавах с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд (но выше Ак), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рис. 25.1 превращения аустенит--мартенсит условно обозначены вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается так называемый эффект псевдоупругости, очевидно связанный с этими явлениями.

При широком гистерезисе наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения реакции М ® А.

2. Основные эффекты термомеханического поведения материалов с ЭПФ

Диаграмма деформирования материалов с ЭПФ, испытывающих обратимые фазовые превращения (рис. 25.3), существенно отличается от таковой для обычных материалов. После упругого деформирования (участок 0А) материал испытывает значительную пластическую деформацию с очень малым деформационным упрочнением (участок АВ), где пластичность обусловлена фазовым превращением. Дальнейшее деформирование материала протекает как обычно (участок BCD). Напряжение, соответствующее началу пластической деформации (точка А), связанной с фазовыми превращениями, принято называть фазовым пределом текучести в отличие от обычного предела текучести s t .

Фазовый предел текучести зависит от температуры испытания (рис. 25.3, б) и имеет минимальное значение при температуре, близкой к Мн.

Протекание обратимых фазовых превращений в сплавах с ЭПФ сопровождается рядом необычных термомеханических эффектов, основные из которых рассмотрены ниже.

Эффект пластичности превращения (ЭПП)

Этот эффект можно проиллюстрировать следующим образом. Образец из сплава с ЭПФ при температуре выше (в аустенитном состоянии) нагружается силой Р (рис. 25.4) и затем охлаждается. В интервале температур наблюдается интенсивное накопление деформации e пп в результате прямой мартенситной реакции. После снятия нагрузки деформация e пп сохраняется. При последующем нагревании деформированного образца в интервале температур деформация e пп устраняется, что является демонстрацией ЭПФ.

Существует линейная зависимость между e пп и приложенными напряжениями до определенных значений, выше которых наблюдаются отклонения различного характера.

Рис. 7 Схема диаграммы деформирования (а) и зависимость фазового предела текучести от температуры испытания (б) материала с ЭПФ

Рис. 8 Накопление деформации под нагрузкой при охлаждении (сплошная линия) и устранение ее при нагреве без нагрузки (пунктирные линии)

Эффект памяти формы

Рис. 8 Схема реализации ЭПФ (а) и зависимость степени восстановления формы от предварительной деформации (б)

После разгрузки (участок ВС) фазовая деформация (e ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (Ан--Ак) фазовая деформация восстанавливается (участок СД). Это, собственно, и есть эффект памяти формы.

Назначение, классификация, основные свойства и материалы упругих элементов

Деформации деталей механизмов нежелательны, так как изменение размеров ведет к появлению дополнительных зазоров, натягов, погрешностей взаиморасположения в соединениях; уменьшает точность передачи; увеличивает потери на преодоление сил трения. Но существует большая группа деталей, основным рабочим свойством которых является значительная упругая деформация, полезно используемая для различных целей, их называют упругими элементами (УЭ).

Упругие элементы делятся на стержневые и оболочковые. К стержневым УЭ относятся винтовые пружины растяжения (рис. 1, а) и сжатия (рис. 1, б), проволока которых при деформации пружины скручивается; винтовые пружины кручения (рис. 1, г) и плоские пружины (рис. 1, в, д), материал которых испытывает деформацию изгиба. Материал оболочковых упругих элементов испытывает сложную деформацию, к таким элементам относят: гофрированные трубки–сильфоны (рис. 1, е); плоские и гофрированные мембраны (рис. 1, ж); мембранные коробки (рис. 1, з); трубчатые пружины (рис. 1, и).

По назначению упругие элементы делятся на силовые, измерительные и элементы упругих связей. Силовые УЭ применяются для силового замыкания кинематических пар – прижима звеньев в фрикционных, кулачковых и храповых передачах, муфтах; для накопления механической энергии, необходимой для возврата в исходное положение или приведения в движение (пружинные двигатели) подвижных звеньев механизмов. Измерительные УЭ используются в манометрах, динамометрах, термометрах и электроизмерительных приборах как чувствительные элементы устройств для измерения давлений, сил и моментов сил, температур и других параметров. Часто функцию измерительного элемента совмещают с функцией токопровода. Тонкие винтовые и спиральные пружины применяют как токоведущие упругие элементы. Элементы упругих связей используют при замене жесткой связи деталей упругой, как резиновые и пружинные амортизаторы (рис. 1, к) для виброизоляции устройств и поглощения энергии удара.

По виду деформации упругие элементы делятся на элементы, испытывающие кручение, изгиб и сложную деформацию.

Эксплуатационные свойства упругих элементов связаны с их упругой характеристикой – зависимостью между деформацией (линейной f или угловой j) и вызывающей ее нагрузкой (соответственно силой F, давлением P, моментом Т). Характеристика упругого элемента (рис. 2, а) в зависимости от его конструкции и упругих свойств может быть линейной (кривая 1) – наиболее предпочтительной, нелинейной – возрастающей (кривая 3) и затухающей (кривая 2). Обычно упругая характеристика ограничивается предельной нагрузкой F_пр и соответствующей ей предельной деформацией (удлинение, осадка и т.д.), при которой появляются заметные остаточные деформации или начинается разрушение.

Максимальную деформацию или максимальную нагрузку, которые не должны превышать допускаемых значений, обычно задают из условий эксплуатации, т.е.

Упругая характеристика наиболее часто представляется в графической форме, реже – в аналитической. При использовании упругих элементов с линейной характеристикой упрощаются их расчеты, конструкции, регулировка.

Силовое противодействие элемента упругой деформации, его упругость характеризуются жесткостью. Жесткость – это нагрузка, при действии которой упругий элемент получает единичную деформацию. Она является важнейшей характеристикой силовых упругих элементов. Для УЭ с линейной упругой характеристикой жесткость k постоянна и равна

k = F/f; k = P/fили k = Т/j. (2)

Для измерительных упругих элементов удобнее пользоваться понятием чувствительности (податливости). Чувствительность оценивают деформацией (перемещением), которую получит упругий элемент при действии единичной нагрузки. Чувствительность d – величина, обратная жесткости:

При использовании УЭ с нелинейной упругой характеристикой жесткость элементов оценивают как производную от нагрузки по деформации и соответственно – чувствительность, т.е.

k = dF/df; d = df/dF. (4)

В конструкциях иногда приходится применять несколько совместно работающих упругих элементов (винтовых пружин). Их суммарные характеристики зависят от схемы соединения упругих элементов. При параллельном соединении УЭ суммарная жесткость упругой системы равна сумме жесткостей ее составляющих. При последовательном соединении упругих элементов каждый элемент деформируется пропорционально его чувствительности, а суммарная чувствительность системы равна сумме чувствительностей всех упругих элементов, входящих в систему.

Жесткость и чувствительность характеризуют одно и то же свойство упругого элемента – способность деформироваться при действии внешней нагрузки.

Влиять на упругую характеристику могут температура, вибрации и другие условия эксплуатации. К погрешностям, проявляющимся особенно в измерительных устройствах, приводят несовершенные упругие свойства материала, вызывающие упругое последействие и упругий гистерезис. Упругое последействие проявляется в запаздывании деформации элемента по сравнению с изменением прилагаемой нагрузки. На упругой характеристике (рис. 2, б) это явление отмечено участками АВ и СО кривой 1.

Упругий гистерезис проявляется в несовпадении характеристик элемента при нагружении и снятии нагрузки (см. рис. 2, б, кривая 2). Величина гистерезиса D f зависит от напряжений в материале элемента. Поэтому для измерительных элементов допускаемые напряжения связывают не с прочностными характеристиками материала, а с допустимым значением гистерезиса, значение которого не выходит за пределы 0,5 . 1,5% от величины f_max , т.е. (Df/f_max )100 £ (0,5 … 1,5).

Неизменность, стабильность упругих характеристик элементов достигается правильным выбором материала, режимов его термообработки и величиной предельной рабочей нагрузки.

Материалы упругих элементов должны обладать высокими упругими свойствами, высокой прочностью при переменных нагрузках. Отдельные виды элементов должны быть стойкими к коррозии, иметь хорошую электропроводимость и антимагнитность.

Силовые и измерительные элементы изготавливают из высокоуглеродистых пружинных 65Г, 60С2, 70С2 и инструментальных У8, У10, У12 сталей.

Контактные и моментные антимагнитные, коррозионно-стойкие пружины (см. рис. 1, в, д) изготавливают из фосфористых БрОФ 6-0,15, БрОФ 4-0,2 и бериллиевой БрБ2 бронз.

Трубчатые манометрические пружины (рис. 1, и), сильфоны (рис. 1, е), мембраны и мембранные коробки (рис. 1, ж, з) изготавливают из латуней Л62, Л68, Л80, бронзы БрОФ4–0,2, нержавеющей стали Х18Н10Т.

Вид и режим термической обработки зависит от материала упругих элементов и требований к ним.

Винтовые пружины

Наиболее широко из упругих элементов в приборо- и машиностроении используются винтовые пружины. Она просты и компактны по конструкции, надежны в работе. Их изготавливают путем холодной и горячей навивки проволоки с круглым, квадратным или прямоугольным поперечным сечением на специальные оправки.

По форме оправки винтовые пружины делятся на цилиндрические, конические и параболоидные, по виду нагружения – на пружины растяжения (рис. 3, а), сжатия (рис. 3, б, в) и кручения (рис. 3, г).

Основными размерами винтовых пружин являются: диаметр проволоки d ; наружный диаметр D ; средний диаметр витка пружины D_ср ; шаг витков t ; число витков i ; длина пружины в свободном (ненагруженном) состоянии Н (для пружин сжатия и растяжения); индекс пружины c = D_ср /d.

С увеличением индекса с жесткость пружины снижается. Рекомендуется принимать индекс с = 16 … 8 при d 2 мм.

Расчет пружины заключается в определении диаметра проволоки d , диаметра пружины D и числа витков i по заданной внешней нагрузке F и рабочему ходу f пружины.

Пружины растяжения навиваются с соприкасающимися витками (t = d). Изготавливают такие пружины двух видов: витки, соприкасаясь, не давят друг на друга, и витки, соприкасаясь, создают межвитковое давление. В последнем случае при навивке пружины проволоку скручивают вокруг ее оси. Пружина приобретает некоторое предварительное натяжение и начинает растягиваться только после приложения к ней нагрузки, большей предварительного натяжения.

Крайние витки пружин растяжения отогнуты и служат зацепами (рис. 4). Зацепы, часто являющиеся наиболее слабым местом пружины, имеют в зависимости от способа крепления различные формы. При растяжении зазоры между витками увеличиваются.

Пружины сжатия (см. рис. 3, б, в) изготавливают с зазором между витками. Крайние витки пружины всегда поджимают к соседним виткам и прошлифовывают по плоскости, перпендикулярной продольной оси. Это обеспечивает легкую установку пружины на опорной плоскости и центральное, т.е. строго по оси пружины, направление сжимающей нагрузки. Чтобы предотвратить возможную потерю устойчивости (выпучивание) пружины при соотношениях размеров Н/D >3, ее рекомендуют устанавливать в направляющем стакане или на стержне. Цилиндрические винтовые пружины сжатия получили наибольшее распространение, так как их форма сочетается с формой валиков, стаканов и других тел вращения. Винтовые конические пружины (см. рис. 3, в) обладают более высокой устойчивостью, в сжатом состоянии имеют минимальную высоту, но ввиду сложности изготовления применяются редко. Коническая пружина может сжиматься до размера, равного толщине проволоки, так как при сжатии виток входит в виток с небольшим зазором.

Пружины сжатия мало чувствительны к перегрузкам. Витки пружины при перегрузке полностью сжимаются, и пружина принимает вид жесткого цилиндра. Конические пружины сжатия применяют, если необходима нелинейная упругая характеристика.

Если при проектировании механизмов задача может быть решена путем применения пружины растяжения или пружины сжатия, то предпочтение отдают последней. При этом получают следующие преимущества: более простую конструкцию, чем у пружины растяжения; не требуются ограничители больших деформаций; поломка одного витка не ведет к мгновенному отказу механизма.

Винтовые пружины растяжения – сжатия имеют обычно линейную характеристику. При расчетных нагрузках материалы таких пружин работают в пределах упругих деформаций. Для устойчивости против вибрации и толчков винтовым пружинам в процессе сборки сообщается начальное нагружение F₀ , т.е. пружину устанавливают в несколько растянутом или сжатом на величину f₀ состоянии.

Расчет цилиндрических винтовых пружин растяжения–сжатия выполняют по условиям прочности витков на кручение. Сортамент, механические свойства стальных углеродистых проволок, используемых для изготовления пружин, приведены в справочниках. Величину допускаемого напряжения материала при сдвиге (кручении) принимают ориентировочно при статической и пульсирующей нагрузке соответственно

где s _ut – предел прочности проволоки при растяжении.

Условие прочности в поперечных сечениях витков пружины

, (6)

где T = (F_max ´ D_ср )/2 – крутящий момент; F_max – максимальная нагрузка на пружину; W_p = pd 3 / 16–полярный момент сопротивления поперечного сечения витка; – коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений на поверхности витка и зависящий от величины индекса пружины с (с = D_ср /d); d , D_ср – соответственно диаметр проволоки и средний диаметр пружины.

Из уравнения (10.6) диаметр проволоки пружины равен

(7)

или . (8)

Исходными данными при расчете пружины являются начальная F₀ и максимальная F_max нагрузки, рабочая деформация f_p и характеристики проволоки: модуль упругости G и допускаемое напряжение t _adm при сдвиге.

Расчет осуществляется в следующем порядке:

1. Выбирают индекс пружины в пределах с = 4 … 16.

2. По формуле (10.7) определяют диаметр проволоки. Значение d принимают ближайшее большее по сортаменту. Средний и наружный диаметры пружины равны D_ср = cd; D = D_ср + d. Если внешний диаметр витков пружины ограничен, то диаметр проволоки определяют по формуле (8).

3. Вычисляют коэффициент жесткости пружины

. (9)

4. Определяют предварительную деформацию пружины

. (10)

5. Число витков пружины рассчитывают по формуле

(11)

или . (12)

6. Определяют в недеформированном состоянии длину пружины:

растяжения H = id + h₃ , (13)

сжатия H = i(d + e) + h_k + f_max , (14)

где h₃ – длина зацепов для крепления пружины растяжения; е = 0,5 мм – гарантированный зазор между витками пружины сжатия при максимальной деформации; h_k = (2 … 3) d – суммарная толщина нерабочих торцовых витков пружины; f_max = f_o + f_p .

7. Угол подъема витков пружины равен:

пружины сжатия , (15)

пружины растяжения . (16)

Этот угол не должен превышать 11 … 12°.

8. Определяют длину проволоки развернутой пружины:

сжатия , (17)

растяжения , (18)

где L_i – длина заготовки зацепа пружины.

Винтовые пружины кручения (рис. 1, в, г) по внешнему виду отличаются от пружин растяжения–сжатия лишь конструкцией концевых витков. Один конец пружины (рис. 5) соединяется с неподвижной деталью, а другой – с подвижной и нагружается при этом усилием F на плече а . Концевые витки пружин отгибаются так, чтобы к ним можно было приложить моменты, действующие в плоскости витка. При закручивании пружины ее диаметр уменьшается, поэтому пружину устанавливают на цилиндрическую оправку диаметром d₀ с зазором, обеспечивающим свободный поворот витков. Пружины применяются для создания (рис. 1, г) противодействующего момента Т при закручивании свободного конца пружины на уголj . Их используют в виде силовых элементов, например, для поджатия магнитных и оптических головок записи и считывания информации.

Под действием момента Т (см. рис. 5, Т = F∙a ) в сечении проволоки возникает напряжение изгиба

, (19)

Коэффициент k₂ зависит от кривизны витка и определяется по следующей рекомендации: при с = 4 k₂ = 1,26; при с = 6 k₂ = 1,16; при с = 8 k₂ = 1,12 и при с = 10 k₂ = 1,1.

Диаметр проволоки d равен

. (20)

Для пружинных сталей, используемых при изготовлении пружин, допускаемое напряжение s _adm принимают 500 … 800МПа.

Диаметр витка пружины D = (c + 1)d.

Угол закручивания пружины из круглой проволоки

j = T×ℓ / (EI_z ) = 64T×ℓ / (Epd 4 ), (21)

где ℓ = pD_ср ×i –развернутая длина проволоки витков пружины; E I _z – жесткость проволоки на изгиб, I_z = pd 4 / 64.

Из формулы (21) задавая угол закручивания, определяют длину и число витков пружины i . При определении длины развернутой проволоки пружины L необходимо учитывать и длину концов. Шаг t пружины (рис. 5) на 0,3 … 0,5 мм больше диаметра витков, а высота H будет равна H = it.

Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: – Высш. шк., 2001. – 480 с.

Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с.

Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1999. – 415 с.

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. п.

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 все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью.

Релаксационная стойкость оценивается сопротивлением релаксации напряжений. Релаксация напряжений характеризуется снижением рабочих напряжений в изделии от до при заданной упругой деформации (рис. 11.1). Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе части упругой деформации в пластическую 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 упругие 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: при малых напряжениях изгибом дислокаций или срывом отдельных из них с мест закрепления, при повышенных напряжениях - перемещением заторможенных дислокаций.

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 рабочими напряжениями, облегчают перемещение дислокаций.

Для закрепления дислокаций используют все средства создания эффективных барьеров: легирование, повышение плотности дислокаций, выделение дисперсных частиц вторичных фаз.

Рис. 11.1. Диаграмма деформации, объясняющая релаксацию и упругое последействие

Рис. 11.2. Зависимость механических свойств пружинной стали от температуры отпуска

Наиболее благоприятную субструктуру, с точки зрения упругих свойств, формирует термомеханическая обработка. Ее успешно применяют для всех пружинных сплавов.

К материалам с высокими упругими свойствами относятся пружинные стали. Они упрочняются пластическим деформированием, термической (термомеханической) обработкой.

К механическим свойствам пружинных сталей предъявляются те же требования, что и к механическим свойствам конструкционных сталей – высокие прочность и сопротивление разрушению. Однако, кроме того, они должны обладать сопротивлением малым остаточным деформациям в условиях кратковременного и длительного нагружения, которое в первом случае характеризуется пределом упругости, а во втором – релаксационной стойкостью. В свою очередь эти свойства зависят от химического состава и структуры стали.

Пружинные стали классифицируются по основным способам упрочнения и назначению. В зависимости от способа упрочнения пружинные стали подразделяются на стали, упрочняемые холодной пластической деформацией с последующей термической обработкой, и стали, упрочняемые закалкой.

1. Стали упрочняемые холодным пластическим деформированием.

К ним относятся высокоуглеродистые стали 65, 65Г, 70, У8, У9, У10, которые подвергаются патентированию (изотермическая обработка в свинцовых или соляных ваннах при температурах пониженной устойчивости аустенита в перлитной области, целью которой является получение тонкопластичного перлита) и последующей протяжке при степенях деформации не менее 70%. После деформирования стали подвергают отпуску 150-350 0 С для снятия напряжений и повышения предела упругости и релаксационной стойкости.

2. Стали, упрочняемые закалкой.

К ним относятся углеродистые и легированные стали перлитного класса с содержанием углерода от 0,4 до 1,0%. Требуемые механические свойства у таких сталей достигаются закалкой с температуры 850-870 0 С в масле или в воде и последующим отпуском при 410-520 0 С. После такой термической обработки σ_0,2 у углеродистых сталей не менее 800МПа, а у легированных сталей не менее 1000МПа.

Пружинные стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью. Мартенситная структура после закалки должна быть по всему объему, причем чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям.

Для пружин малого сечения (менее 5мм) применяют углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, 65, 70, 75, 80, которые закаливаются в масло. Эти же стали используются для пружин с сечением 5-8мм, но закаливаются в воду.

Широко используются (ГОСТ 14959-79) марганцовистые стали 60Г, 65Г, 70Г, с σ_0,2 ≈МПа, кремнистые стали 50С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70С3А, в которых Si значительно упрочняет феррит и поэтому у них σ_0,2 =1200-1600МПа. Из таких сталей изготавливают пружины вагонов и танков, рессоры многих автомобилей, торсионные валы и т.д.

К недостатку кремнистых сталей относится их склонность к обезуглероживанию, образованию дефектов при горячей деформации. Для устранения этих недостатков кремнистые пружинные стали дополнительно легируют Cr, Mn, Ni, V. W (60С2Г, 55С2ГФ, 60С2ХА, 60С2ХФА). Перечисленные стали, относятся к пружинным сталям общего назначения.

В ряде случаев пружинные элементы должны кроме упругих свойств должны обладать и другими характеристиками – коррозионной стойкостью, немагнитностью и т.д. Такие пружинные стали, называют пружинными сталями специального назначения. К ним относятся стали:

- мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13, 20Х17Н2);

- аустенитного класса (12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 17Х18Н9);

- аустенитно-мартенситного класса (09Х15Р8Ю, 08Х17Н5М3).

Наиболее широко применяют мартенситные стали 30Х13 и 40Х13, которые подвергают закалке с 1000-1050 0 С в масле и отпуску 300-350 0 С, а если пружина подвергается нагреву в процессе эксплуатации, то температуру отпуска повышают до 500-550 0 С.

Для повышения прочности после закалки стали этого класса подвергают холодному пластическому деформированию, обработке холодом при температуре -70 0 С, а затем старению при 450-500 0 С в течение 4-5 часов.

Немагнитные аустенитные стали, например 12Х18Н10Т, подвергаются следующей схеме упрочнения: закалка→ холодное пластическое деформирование с высокой степенью обжатия→отпуск 400-450 0 С.

Стали, устойчивые к воздействию температуры, рабочей и внешней среды.

К этим сталям относятся жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие и коррозионостойкие стали.

Читайте также: