Основное свойство, которыми должны обладать пружинные стали и сплавы со специальными упругими свойствами – высокое сопротивление малым пластическим деформациям в условиях кратковременного (предел упругости, sупр.) 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, sупр.), высоким пределам прочности (sв) при достаточной вязкости (KCV, KCU),а также повышенной усталостной прочностью (s-1) и релаксационной стойкостью (sполз.¯); -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 (sв,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%.