Стали специального назначения. Пружинные стали применяются для изготовления упругих и демпфирующих элементов: цилиндрических и плоских пружин

Стали общего назначения

Характеристика

Пружинные стали применяются для изготовления упругих и демпфирующих элементов: цилиндрических и плоских пружин, тарельчатых пружин, торсионов, рессор и др. основным свойством этих элементов является пропорциональность изменения длины или формы от приложенной нагрузки, которая выражается следующим уравнением:

F = k ´ l,

где F – действующая сила; l – изменение длины и k – жесткость.

Видно, что данное уравнение идентично закону Гука, в котором жесткость имеет смысл модуля Юнга.

Рис. 100. Конструкции различных типов пружин

На рис. 100 показаны различные типовые конструкции пружин. По характеру выполняемых функций они делятся на 4 группы: растяжения, сжатия, кручения и изгиба. Но напряжения, возникающие в теле пружины, не всегда соответствуют выполняемой функции. Так в пружинах растяжения и сжатия главными напряжениями являются напряжения кручения, в пружинах кручения 5 и 7 – напряжения изгиба, а в тарельчатых 3 и кольцевых 4 – напряжения растяжения и сжатия. Именно эти напряжения определяют работоспособность и долговечность работы упругих элементов.

В реальных металлах линейная зависимость закона Гука выполняется лишь в упругой области деформации, то есть при нагружении до предела упругости. Это показывает, что пружинные стали и другие материалы, предназначенные для изготовления упругих элементов, должны иметь большое значение предела упругости, как основного рабочего свойства, обеспечивающего линейную пропорциональность величины действующей силы и изменения длины конструкции.

Часто вместо предела упругости в расчетах пружин используют условный предел упругости, как напряжение, которое вызывает нелинейную деформацию равную 0,03…0,005 % ( _0,03 … _0,005).

Второй важной характеристикой материалов является их релаксационная стойкость, которая представляет собой неизменность предела упругости в течение длительного срока службы пружины. Эта характеристика обеспечивает точность и надежность работы упругих элементов во времени.

Под релаксацией напряжений понимают самопроизвольное затухающие падение напряжений при постоянной суммарной деформации.

Рис. 101. Схема релаксации напряжений

Условием релаксации напряжений является зависимость:

= + = const,

где – суммарная деформация; – упругая деформация и – пластическая деформация (рис. 101).

В начальный момент времени вся де­формация является упругой (при нагружении в упругой области) и =. С течени­ем времени, при наличии релаксации, упругая деформация уменьшается, а пластическая растет. предельным случаем является = Причиной релаксации напряжении яв­ляются дислокационно-сдвиговые процессы, а также различного рода структурные пре­вращения, которые могут идти под нагрузкой, в случае недостаточной структурной стабильности сплава. Поэтому увеличение сопротивления сдвигообразованию (повышение предела упругости) иструктурной стабильности сплава повышаетего релак­сационную стойкость.

Релаксация вызывается перестройкой атомно-кристаллического строения стали на уровне перемещения атомов из сжатых узлов кристаллической решетки в растянутые и перемещения дефектов кристаллического строения. Чем ниже равновесие системы, тем ниже будет её релаксоционная стабильность. Так как упругие элементы используют со структурой мартенсита, который обладает высокой внутренней энергией и при изменении внешних условий стремится понизить эту энергию посредством перестройки конфигураций дефектов и упорядочения атомного строения, то он обладает низкой релаксационной стойкостью. Повышение релаксационной стойкости мартенсита достигается в процессе отпуска закаленной стали, когда происходит релаксация внутренних напряжений и перестройка дислакационной структуры при сохранении атомно-кристаллического строения. Только в этом случае можно сохранить высокое значение предела упругости стали и получить высокую релаксационную стабильность.