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), страница 2

Характеристика упругого элемента зависит от его конструкции (числа витков пружины, диаметра проволоки и т. п.) и упругих свойств материала: модуля упругости и предела упругости. Угол наклона характеристики к оси деформации (см. рис. 11.3) определяется модулем упругости. Чем он меньше, тем больше упругая деформация, наибольшая величина которой е „= оо ооз/Б. Стали, имея высокий модуль упругости, не обеспечивают высокой чувствительности упругих элементов приборов. Для их изготовления используют сплавы на основе меди (бериллиевые бронзы), которые при практически одинаковом со сталями пределе упругости имеют по- чти в 2 раза меньший модуль упруго. сти.

Различие в модуле упругости этих материалов иллюстрирует рис. 11.3; характеристика ! соответствует бронзам, характеристика 2 — сталям. Рабочее напряжение упругого элемента должно быть ниже предела упругости материала, так как при нагрузках, близких к пределу упругости, в сплавах проявляются неупругие эффекты, ухудшающие работу элемента и всего прибора. Чем выше предел упругости материала относительно рабочих нагрузок, тем меньше неупругие эффекты и выше класс точности прибора.

К неупругим эффектам относят упругое последействие, релаксацию, гистерезис и внутреннее трение. Упругое последействие проявляется в отставании части упругой деформации материала от напряжения. При быстром возрастании нагрузки на упругий элемент до значения о, (см. рис. 11.1) деформация будет соответствовать точке а и лишь спустя некоторое время достигнет своего истинного значения-точки Ь. В результате упругого последействия, которое называют «прямым» при возрастании нагрузки и «обратным» при устранении нагрузки, показания прибора, определяемые упругим элементом, будут отставать при быстрой смене нагрузки. В результате релаксации (см. рис. 11,1) напряжение снизится до точки с.

После разгрузки упругий элемент сохранит остаточную деформацию, н показания прибора не возвратятся на нуль. Гистерезис проявляется в несовпадении характеристик упругого элемента при нагрузке и разгрузке (рис. 11.4) В результате не совпадают и показания прибора, определяемые упругим элементом.

Гистерезис вызван рассеиванием в материале энергии при упругих напряжениях. Мерой рассеивания упругой энергии является площадь петли гистерезиса. Гистерезис оценивают отношением максимальной ширины петли Г к наибольшей упругой деформации е Хватвриаэы с высокими улругиии свойствами 216 Рве. 11вй Петля упругого систерезиса Перечисленные неупругие эффекты возникают из-за неоднородности строения реальных поликристаллов, вследствие чего в отдельных микрообъемах при невысоких нагрузках развивается микропластическая деформация.

Внутреннее трение проявляется при циклическом приложении нагрузки ниже предела упругости в результате необратимой потери энергии деформирования. Энергия деформирования теряется вследствие теплообмена в окружающую среду, расходуется на изгибание дислокаций, на перемещение внедренных атомов, в ферромагнитных материалах на токи Фуко и магшпно-упругий эффект, связанный с механострикцией. В идеально упругом материале при циклической нагрузке, частота которой совпадает с собственной частотой упрузого элемента, в результате резонанса наблюдается резкое возрастание амплитуды колебаний элемента. В реальных поликристаллах амплитуда колебаний упругого элемента растет в некотором интервале частот, что является проявле- Ряс.

11.5. Резонансная кривая улрусого элемента нием внутреннего трения. Ширину этого интервала на высоте 0,7 максимального значения амплитуды условились принимать за величину внутреннего трения (рис. 11.5). Отношение резонансной частоты Г к ширине интервала ЛГ называют добротностью. Для того чтобы снизить неупругие эффекты, надо повысить сопротивление малым пластическим деформациям, т. е. формировать малоподвижную дислокационную структуру. Закрепление дислокаций в рассматриваемых сплавах осуществляется выделяющимися после закалки и старения высокодисперсными когерентными частицами вторичных фаз. Бериллиевые бронзы используют для изготовления упругих элементов ответственного назначения. Бериллиевые бронзы †э сплавы на медной основе с высоким пределом упругости и низким модулем упругости (ГОСТ 18175 — 78). Такое сочетание свойств обеспечивает малые неупругие эффекты при больших упругих деформациях.

Кроме этск о, сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, электропроводимостью, немагнитностью, хорошей технологичностъю, а также способностью упрочняться термической обработкой. Например, сплав БрБ2, в котором содержание бериллия составляет около 2%, после закалки и старения имеет предел упругости по ооз — — б00 МПа (табл. 11.1). Увеличение содержания бериллия до 2,5 ос повышает предел упругости. Однако высокая стоимость бериллия ограничивает применение такого сплава.

Широко используется сплав БрБНТ1,9, легированный титаном и никелем. По упругим свойствам он мало уступает сплаву БрБ2,5 (см. табл. 11.1). Дальнейшее повышение предела упругости достигается микролегированием бсриллиевых бронз бором (0,01 с) или магнием (0,1с). Введение этих поверхностно-активных элементов изменяет процессы старения в сторону увеличе- 206 Магяериаяы, применяемые в машино- и прибороегнроении ТАБЛИЦА 11.1.

Свойства термически упрочпсипых сплавов длп упругих элементов приборов ния объемной доли вьщеляющихся частиц, степени их дисперсности, а также плотности и равномерности их распределения. Микролегирование заметно повышает предел упругости и снижает не- упругие эффектны (см. табл. 11,1, сплав БрБНТ1,9Мг). Разработаны способы термомеханической обработки бериллиевых бронз, при которой сплавы подвергают хслодной пластической деформации в закаленном состоянии. Это приводит к более значительному росту предела упругости при старении и к сильному снижению упругого последействия.

Так, сплав БрБНТ1,9, деформированный нв 50% в закаленном состоянии, после старения при 350'С в течение 0,25 ч имеет предел упругости осло, — — !000 МПа. Железоникелевые сплавы (ГОСТ 10994 — 74) менее дефицитны и дешевле бернллиевых бронз. Они имеют примерно тот же предел упругости, но обладают более высоким модулем упругости, что снижает допустимые упругие леформации элемента, Сплав 36НХТЮ, применяемый для упругих элементов, является сплавом на железной основе.

Высокое содержание никеля и хрома обеспечивает получение аустенитной структуры и способствует высокой коррозионной стойкости сплава. Аустенитная структура придает сплаву хорошие технологические свойства в отношении обрабатываемосгп давлением и свариваемостн. Титан и алюминий образуют с никелем н железом фазы переменной растворимости в аустенитс, что позволяет упрочнять сплав термической обработкой. После закалки от 925-950'С сплав получает однофазную структуру.

В процессе искусственного старения нэ аустенита выделяется промежуточная мета- стабильная 7'-фаза, упрочняюшая сплав. После старел(гя при 700'С в течение 2 ч сплав 36ХНТ1О имеет предел упругости оо э — — 800 МПа. Дополнительное легирование молибденом в количестве 8% (36НХТЮМ8) после термической обработки позволяет получить предел упругости ггр,юэ — — 950 МПа. Применение термомеханической обработки для сплава 36ХНТЮ повышает предел упругости до ао ооэ = 1ПО МПа. )лава $2. МАТЕРИАЛЬ3 С МАЛОЙ ПЛОТ(!ЮСТ)э$О Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко применяют в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Применение легких материалов дает возможность снизить массу, увеличить грузоподъемность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, супов, железнодорожного транспорта. К основным конструкционным легким металлам относятся пластмассы, цнетпые металлы Мй, Ве, А1, Т! и сплавы на их осноне, а также композиционные материалы. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при одновременном повышении их прочности н жесткости.

Основными критериями при выборе конструкШюнных материалов в этом случае являются улельные прочность а,/(ря) и жесткость Е/(рк). По этим характеристикам легкие материалы неравноценны (табл. 12.1). ТАБЛИЦА !2.1. Прочность, удельная прочность и улечьвав жесткость лепснх материалов н высокопрочной стали Среди сплавов на основе А1, Мй и пластмасс лишь отдельные группы имеют такие свойства, которые указаны в табл.

12.1, а большинство не обладает высокими прочностью, удельной прочностью и улельной жесткостью. Зги материалы предназначены главным образом для изготовления мало- и срелнена~руженных леталей. Материалы с высокой удельной прочностью (сплавы Т), Ве, композиционные материалы) предназначены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. Они рассмотрены в гл. !3. 12 1. Сплавы на основе алюминия Свовсгва алюнвпиа. Алюминий — металл серебришо-белого песта. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизируется е решетке гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электро- проводимостью !см. гл. 1.5), высокой пластичностью и коррозионной стойкостью (см. гл. 14.1). Примеси ухудшают есе эти свойства. Постоянные примеси алюминия Ге, Я, Сп, 7л, Тй В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999 (<0,00151 примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005-0,05% примесей) и текнической чистоты А85, А8 и др.

(0,15-152 примесей). Технический алюминий, выпус«аемсий в пиле деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют АДО и АД!. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты н состояния. Ъ'величение содержания примесей и пластическая леформацня повышают прочность и твердость алюминия (табл. !2.2). Ввиду низкой прочности алюминий применяют для ненагружсннык деталей и элементов конструкций, когда от материала 208 Материапьг, применяемые а машино- и приборостроении лег ирующггй гееиент ТАБЛИЦА 12.2.