materialovedenie2 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение)

Стали и сшгавы 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. и. 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 нли ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация.

В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех консгрукционных 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 о, ло о при заданной упругой деформации е, (рис. И.1). Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе части упругой деформации в пластическую (г ) 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 свойс1ва. Релаксация напрюкений происходит путем микропласгической леформации, 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 — перемеШением 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 фяэ. На- Ряс.

11.1. Диаграмма де- формации, объясняняпая релаксацию я упругое по- следействие 202 Материалы, примснчемые в митина- и приборостроении ттлщуубви г иболее благоприятную субструктуру. с точки зрения упругих свойств, формирует термомеханическая обработка. Ее успешно применяют для всех пружинных сплавов. 11.1, Ресеорио-пружинные стали Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию, равную гзп пел ~Е В свЯзи с этим они пРименяются для изготовления жестких (силовых) упругих элементов. Недорогие и достаточно технологичные рессорнопружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении.

Кроме того, они находят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорнопружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5-0,7%), которые подвергают закалке и отпуску при температуре 420 †5'С.

Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел упругости. Он заметно повьппается при отпуске, когда образуется структура троостита (рис. 11,2). В этой структуре феррит из-за сильного фазового наклепа имеет высокую плотность малоподвижных дислокаций, которые, кроме того, эффективно блокируются дисперснымн карбидными частицами. Поэтому троостит отличается стабильней дислокационной структурой. Кроме высоких упругих свойств отпуск на троостит обеспечивает некоторое повышение пластичности и вязкости ' а,— условный прплпл упругости; 0002-лппуск нп пстпгпчную лвфпрыпшпп.

Рпе. 11.2. Зависимость мекпнячпскнк свойств пружинной стали (О,б)г, С, 2% 81) от гпм- перптуры отпуска (особенно в сталях, не склонных к отпускной хрупкости), что важно для снижения чувствительности к концентраторам напряжений и увеличения предела выносливости. Хорошие результаты дает также нзотермическая закалка на структуру нижнего бейнита.

Она позволяет получить высокие механические свойства пря малой деформации изделий. Небольшие пружины простой формы изготовляют нз стали, поставляемой в термически обработанном состояняя. Для крупных пружин, требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Термической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штамповкой. Сталь для рессор поставляют в виде полосы.

Нарезанные из нее заготовки закаливают в специальных штампах с определенной стрелой прогиба, затем отпускают и собирают в виде пакета. Углеродистые стали (65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г по ГОСТ 1050 — 74), рассмотренные выше (см. гл. 8), характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве.

Онн не Маеаелаалы с высакима упругими свазоавама 2ОЗ пригодны для работы при температуре выше 100'С. Из-за низкой прокаливаемости из ннх изготовляют пружины небольшого сечения. Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959 — 79) относятся к перлитному классу. Основными легируюшими элементами в них являются кремний (1 — 3;Г), марганец ( 1;/), а в сталях более ответственного назначения-хром ( ! вс), ванадий (-0,15/) и никель (< 1,7;с).

Легирование (за исключением кремния н марганца) мало влияет на предел упругости-главное свойство этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, прелела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более длительную и надежную работу. Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА применяют для пружин и рессор толщиной до 18 мм. Стали стойки к росту зерна при нагреве поц закалку. но склонны к обезуглероживанию — опасному поверхностному цефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно.

Ее преимущественно применяют лля рессор толщиной до 14 мм. Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520 'С), обладают теплостойкостью, повышенной вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу.

Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300'С. Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях соответственно до 50 и 80 мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются со- держанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости. Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: пв > 1800 МПа; авд > 1600 МПа; Ь > 5;с; ф > 20;/. Прелел упругости составляет пва, —— 880 вь 1150 МПа, а твердость НКС 38-48.

При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных цефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и цр.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью.

После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза. 11.2. Пружинные материалы приборостроении Упругие элементы приборов, кроме высоких пределов упругости, выносливости и релаксационной стойкости, должны обладать высокой коррозионной стойкостью, немагнитностью, электро- проводимостью. Одно иэ важнейших эксплуатационных требований — точная и стабильная характеристика.

Характеристикой называют зависимость деформации к упругого элемента от приложенного усилия Р (или напряжения) (рис. !1.3). Примером характеристики пружины является зависимость ее осадки от сжимающего усилия; пластины реле — зависимость перемещения свободного конца от действующей на него нагрузки. Характеристика упругого элемента должна 204 Леатериалм, применнемые е татино- и приборостроении Ряс. 11.3. Характерясгяка двух упругих эле- ментов быть линейной, иначе нельзя обеспечить необходимую точность прибора. Кроме того, она должна допускать возможно большее упругое перемещение. Чем оно больше при одном и том же усилии, тем выше чувствительность упругого элемента. Из рис.

11.3 видно, что при одинаковой нагрузке Р, упругое перемещение первого элемента больше, чем второго (к, » ез). В результате первый упругий элемент обеспечит большую чувствительность и меньшую относительную ошибку измерения. Качество упругого элемента определяется также нагрузкой, необходимой для создания определенной упругой деформации. Чтобы вызвать деформацию, равную а, (см. рис. !1.3), первый элемент требует меньшего усилия, чем второй, поэтому качество его выше.