Пружинные материалы
Глава 3. Пружинные материалы
§1. Особенность работы пружины в области упругих нагрузок
1. Пружина должна восстанавливать форму и размеры после нагружения и разгружения
Пружина может восстановить свою форму и размеры в пределах некоторого заранее обговоренного допуска:
2. Пружина должна обеспечивать определенную упругую деформацию при определенных напряжениях
3. Многие пружины работают при циклических нагрузках (возможна усталость)
Рекомендуемые материалы
для силовой пружины σраб < σR(σRN)
4. Пружина должна сохранять упругие свойства на длительное время эксплуатации
Релаксация напряжений:
, %
§2. Требования к структуре и свойствам пружинных материалов
Пружины:
- Силовые (рессоры, подвеска, амортизаторы)
- Упруго чувствительные элементы (УЧЭ) (датчики, измерители)
1 | 2 | |
Е | Евыс | Ениз |
σраб < σ0,01 | σраб < σ0,01/0,02 | |
Выносливость | σраб < σRN | - |
РН | < 5-15% | < 2-5% |
Специальные требования | Иногда: коррозионностойкие, теплостойкие | Как правило: коррозионностойкие, немагнитные, электрические проводники |
Для упругой деформации Ме необходимо, чтобы у него не было перемещения дефектов.
Структура пружинного материала: предельно заблокированы все дислокации.
§3. Пружинные материалы общего назначения (материалы для силовых пружин)
Типичные стали: 60, 60Г, 65, 65Г – условно начинают прокаливать стали до 8-10 мм, 60С2 – до 18 мм, 60С2ХА – до 50 мм, %С – 0,6-0,7, мало легирующих элементов.
Небольшое количество легирующих элементов (Cr, Si, Mn), т.к. температура Мк может опуститься ниже номинальной температуры (0,6% С) – тростит отпуска.
Типичная ТО: закалка Ас3 + (30-50°С) вода, масло + средний отпуск 350-450°С
НВ ~ 4000 МПа
Тростит отпуска – лучшая структура для пружин, т.к. у него двойная блокировка дислокаций (полигонизованная структура – дислокации + дисперсные частицы цементита), самая выносливая к циклическим нагрузкам структура.
σВ, МПа | σ0,01, МПа | |
60 | 1000 | 600 |
60С2 | 1300 | 800 |
60С2ХА | 1500 | 900-1000 |
§4. Пружинные материалы специального назначения (материалы для упругих чувствительных элементов)
Emin + коррозионная стойкость + немагнитность + теплопроводность
ЕСu ≈ 125000 МПа ―› ―› твердые растворы замещения, низкая прочность, высокая пластичность, дорекристаллизационный отжиг.
Cu + Be – бериллиевая бронза, закалка 770°С (вода ) + старение 300°С, 4-6 часов.
Глава 4. Износостойкие материалы
1) контакт поверхностей идет по микронеровностям (по точкам), большие контактные нагрузки;
2) сдвиговая деформация микронеровностей;
3) локальный разогрев;
смазка сжимается в микрообъемах, большое внутреннее давление, пыль, ударные нагревы, вакуум.
В зоне трения сложнейшие условия для работающего Ме.
§1. Особенности работы Ме в зоне трения и микронарушений и меры по повышению износостойкости
- Механическое изнашивание
Механическое изнашивание – преобладает деформация микронеровностей, вошедших в зацепление.
(1) h – мало, R – велик, площадь – const, σ, τ – малы, микронеровности разойдутся чуть-чуть отпружинивая, деформация упругая, износа нет;
(2) h – больше, R – меньше, σ, τ – больше
в зоне деформации – пластическая деформация, износ есть;
(3) h – велико, R – мало, σ, τ – max
в зоне контакта идет микрорезание, износ катастрофический, как правило при попадании в зону трения абразивных частиц.
Итог:
1) Ме сопротивляется пластической деформации и это создает силу трения;
2) Противостоять этому может материал высокой твердости, которая может сохраняться при нагреве;
3) Vh, Jh, fтр (деф) ≈ f(h/R)
Уменьшение шероховатости, (2) и (3) – основные меры против изнашивания.
- Молекулярно-механическое изнашивание
В основе адгезия (схватывание) трущихся поверхностей:
1) с оксидной пленкой
схватывание и вырывание оксидной пленки, износ велик, окислительное изнашивание;
2) без оксидной пленки
схватывание «чистых» (ювенильных) поверхностей, вырываются значительные микрообъемы, меньше прочного материала, образуются заедания, наросты, зазоры. Износ катастрофический – схватывание.
Итог:
1) сопротивление схватыванию Fтр (адгезия) и fтр (адгезия);
2) склонность к схватыванию – индивидуальное качество Ме
3) склонность к схватыванию усиливается:
- при растворяемых друг в друге Ме;
- при нагреве;
- при медленном перемещении контактирующих поверхностей (червячная);
- при работе в вакууме.
Меры:
- Разделить смазкой трущиеся поверхности (жидкой – масла, fтр ~ 0,01-0,005, твердой – MoS2, fтр ~ 0,02-0,15, графит (редко)).
- Правильно выбрать пару (тв + тв – нельзя, тв + мяг + нерастворимые друг в друге).
- Повысить твердость «твердой» детали – закалка ТВЧ, лазер, ХТО (цементация, азотирование, борирование).
- Применить несхватывающиеся материалы – рубины, керамика, пластмассы.
§2. Износостойкие материалы
Вообще износостойких материалов не существует, но существуют материалы, устойчивые в конкретных условиях изнашивания.
- Ме, устойчивые против абразивного изнашивания
Ндет ≥ 0,5-0,7 Набразива;
Твердости:
- песок (SiO2) ~ 10000 МПа;
- корунд (Al2O3) ~ 20000 МПа;
- алмаз ~ 150000 МПа;
- нитрид бора (BN) ~ 60000 МПа;
- SiC ~ 37000 МПа;
- TiC, VC ~ 29000 МПа;
- WC ~ 21000 МПа;
- Mo2C ~ 15000 МПа.
Все супертвердые свойства одновременно суперхрупкие – изменяются только в качестве компонентов в твердых материалах.
Примеры:
1) твердые сплавы (порошковая технология):
частицы карбида (80-95%) + связка (кобальт - порошок)
ТК15 – вставки в кромку режущего инструмента для самых сложных работ;
2) быстрорежущие стали (традиционные технологии):
[Р18 (18% W), Р9 (9% W), Р6М5 (6% W, 5% Mo)] + [0,9% С, 4% Cr, 1,5% V] – самая сложная термическая обработка 1260°С закалка + 3 отпуска при 560°С, самая большая твердость HRC 64-67
Изготавливают режущие инструменты для тяжелых видов работ;
3) против абразивов рекомендуют материалы, у которых твердость при нагреве сохраняется благодаря большому количеству карбидных частиц.
- Материалы, устойчивые против ударно-абразивного изнашивания
Стали Гадфильда – 110Г13Л – сталь аустенитного класса, НВ ~ 2000 МПа.
При ударных нагрузках поверхность наклепывается, до 5000-6000 МПа, середина остается вязкой, чем дальше работает, тем лучше стоит против ударно-абразивных нагузок.
Применение:
- гусеницы тракторов и танков;
- ковши экскаваторов;
- железнодорожные стрелки;
- отбойные молотки.
Применяются только отливки.
- Материалы, устойчивые против усталостного изнашивания (зубчатые колеса и подшипники)
- конструкционная прочность;
- анализ ситуации;
- материалы с марками.
Сминается микронеровность:
При многократном нагружении образуется «язык» - возникают трещины. При перекатывании точки контакта под «языком» зажимается смазка и рывком продвигает трещину вглубь, выкрашиваются значительные микрообъемы и питтинг.
Против усталостного изнашивания устойчивы материалы с высокой контактной выносливостью, у которых предотвращено смятие микронеровностей в поверхностных слоях, благодаря высокой твердости поверхности.
Стали для подшипников качения имеют следующие свойства:
- усталостное изнашивание;
- min разогрева;
- min ударной нагрузки;
- min цену.
ШХ4 (0,4% Cr), ШХ15 (1,5% Cr).
ТО – неполная закалка 820-840°С, масло + низкий отпуск 160°С ( HRC ~ 60-64), Мотп.
Стали для зубчатых колес – усталостное изнашивание, min разогрев, ударный нагрев.
ХТО:
– высокое контактное давление - цементация 1-1,4 мм + упрочняющая ТО (закалка + низкий отпуск) - 20ХН3А;
- среднее контактное давление + высокоскоростные передачи – азотирование 0,3-0,5 мм – 38Х2МЮА.
§3. Способы дополнительного повышения износостойкости
Лазерная обработка:
- лазерная закалка – 7-8 Вт/см3, fтр – min, снижена в 6-10 раз! – лазерная наплавка;
- лазерное легирование – присадка фольги ( Si, C, B, Ti, V), НВ ~ 15000-17000, восстанавливается изнашиваемый объем + высококачественная твердость поверхности.
§4. Антифрикционные материалы
Для изготовления подшипников, опор скольжения, для сложных высокоскоростных валов (турбин, электродвигателей), нельзя применять подшипники качения из-за трения.
Требования:
1) min коэффициент трения на валу, min 3 контакта с валом, легкая подача смазки, быстрый отвод продуктов износа
2) min износ в точках контакта, высокая твердость;
3) легкая прирабатываемость – min НВ;
4) отсутствие схватывания – мягкие Ме (Cu, Sn, Pb), А-Ф всегда состоят из разнородных мягких и твердых фаз.
Ещё посмотрите лекцию "Диагностика опухолей поджелудочной железы" по этой теме.
Материал выбирают по fтр и по р, Vуд, где р – давление вала:
1) мягкая матрица и твердые включения, твердая матрица и мягкие включения:
баббиты Sn или Pb – Sn+8Sb+3Cu+Cd, fтр ~ 0,005,
баббиты размягчаются при 100°С, используются как вкладыши опоры в цельном методе заливки;
2) Cu + 30% Pb (твердый материал + включение)
Бронза: fтр ~ 0,008, высокоскоростные валы электродвигателей, из-за высокой теплопроводности серый чугун.