Сплавы с особыми упругими свойствами

 

Основное свойство, которыми должны обладать пружинные стали и сплавы со специальными упругими свойствами – высокое сопротивление малым пластическим деформациям в условиях кратковременного (предел упругости, s_упр.) и длительного (релаксационная стойкость) нагружения:

 

().

 

Эти свойства зависят от состава и структуры этих материалов и внешних условий: температуры, коррозионной активности внешней среды и др.

Следует особо подчеркнуть, что сопротивление малым пластическим деформациям определяет весь комплекс свойств пружинных сталей и сплавов. Теоретическими исследованиями установлено, что для достижения высокого сопротивления малым пластическим деформациям необходимо обеспечить равномерное распределение дислокаций при их высокой плотности, полном их закреплении, чтобы в максимальной степени затормозить развитие самых начальных стадий пластической деформации. Достижение данного структурного состояния обеспечивается разными механизмами упрочнения или их одновременным использованием.

Наиболее широко используются механизмы упрочнения, основанные на протекании мартенситного превращения (g®a), на выделении избыточной высокодисперсной фазы, на внутрифазовых превращениях с образованием ближнего упорядочения или ближнего расслоения, на использовании деформационного наклёпа.

Эти материалы классифицируют по основным способам упрочнения и назначению. По основным способам упрочнения различают:

- сплавы, упрочняемые холодной пластической деформацией и последующим низкотемпературным нагревом [стали перлитного класса (0,4-1,2% С);

- стали аустенитного класса; сплавы меди (латуни и бронзы)];

- cплавы, упрочняемые в результате мартенситного превращения g®a (мартенситно-стареющие углеродистые и легированные стали);

- сплавы, упрочняемые в результате дисперсного твердения (старения) – это сплавы на основе систем Fe-Ni, Fe-Ni-Cr, Co-Ni-Cr, Ni-Cr и др., с добавками главным образом Ti, Al или Nb, образующих упрочняющие фазы, выделяющиеся в дисперсной форме при последующем старении или отпуске.

По назначению различают пружинные стали и сплавы общего назначения и специального назначения. Пружинные стали общего назначения должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости, s_упр.), высоким пределам прочности (s_в) при достаточной вязкости (KCV, KCU),а также повышенной усталостной прочностью (s_-1) и релаксационной стойкостью (s_полз.¯); -высоко.

К ним относятся:

­ углеродистые стали перлитного класса (65, У9А, У12А);

­ легированные стали перлитного класса (60Г, 70С3А, 50ХФ);

­ стали мартенситного класса (20Х13).

Пружинные стали и сплавы специального назначения кроме вышеперечисленных качеств должны иметь повышенная коррозионная стойкость, немагнитность, малое удельное электросопротивление, независимость модуля упругости от температуры.

Стали и сплавы, относящиеся к этому классу, делятся на следующие группы:

- коррозионно-стойкие;

- немагнитные;

- элинварные ( ®0, 30-45% Ni и 6-13% Cr);

- теплостойкие.

Эти стали и сплавы выполняются на основе систем Fe-Ni-Cr, Ni-Cr, Co-Ni-Cr-Mo, которые представляют собой стали мартенситного класса (20Х13), аустенитного класса (12Х18Н9Т), аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н8Ю), мартенситно-стареющие стали (03Х12Н10Д2Т), аустенитные сплавы.

Применение сплавов со специальными упругими свойствами непрерывно расширяется. Их выдающиеся свойства:

высокий модуль упругости (Е);

- малый температурный коэффициент модуля упругости ( ®0);

- высокая прочность (s_в,HB);

- высокая коррозионная устойчивость;

- теплостойкость, немагнитность (m»1).

Основой таких сплавов являются железо, никель и кобальт.

Железоникелевые сплавы имеют минимальное значение модуля упругости при 36% Ni и в то же время наибольший температурный коэффициент . Оптимальное сочетание модуля упругости и температурного коэффициента  достигается на сплавах с 30-45% Ni. С помощью дополнительного легирования этой основы можно изменять обе эти характеристики в заданных пределах. Эти элементы должны упрочнять твёрдый раствор. Сплавы с минимальным температурным коэффициентом  называются элинварами (30-45% Ni и 6-13% Cr). Сплав 35 НХМВ идёт на изготовление волосков – деталей часового механизма. Сплав 42НХТЮА – аналог зарубежного сплава ниспен; этот сплав, а также 44НХТЮ, замечателен тем, что изменение температуры не изменяет частоту колебаний изделий из этих материалов.

Сплавы системы Сo-Cr-Ni обладают непревзойдёнными упругими и прочностными свойствами (40КХНМ, 40КНХМВ, 40КНХМВТЮ и др.). Упругие элементы, изготавливаемые из этих сплавов, отличаются высокой эксплуатационной долговечностью. Так, пружина из сплава 40КХНМ способна выдерживать циклические нагрузки в четыре раза больше, чем нагрузки, выдерживаемые пружиной из углеродистой стали. Теплостойкость сплавов граничит с жаропрочностью и жаростойкостью: упругие элементы, изготавливаемые из этих сплавов, могут применяться в устройствах с температурой до 500°С. Легирование этих сплавов увеличивает их прочность. Установлено, что добавка рения Re к сплаву 40 КХНМ повышает твёрдость на 10-12%.