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 σ_раб < σ_R(σ_R^N)

4. Пружина должна сохранять упругие свойства на длительное время эксплуатации

Релаксация напряжений:

, %

§2. Требования к структуре и свойствам пружинных материалов

Пружины:

1. Силовые (рессоры, подвеска, амортизаторы)
2. Упруго чувствительные элементы (УЧЭ) (датчики, измерители)

  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 М_к 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.

§4. Пружинные материалы специального назначения (материалы для упругих чувствительных элементов)

E_min + коррозионная стойкость + немагнитность + теплопроводность

Е_Сu ≈ 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

1. 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) V_h, J_h, f_{тр (деф)} ≈ f(h/R)

Уменьшение шероховатости, (2) и (3) – основные меры против изнашивания.

1. 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 F_тр (адгезия) и f_тр (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:

1. Разделить смазкой трущиеся поверхности (жидкой – масла, f_тр ~ 0,01-0,005, твердой – MoS₂, f_тр ~ 0,02-0,15, графит (редко)).
2. Правильно выбрать пару (тв + тв – нельзя, тв + мяг + нерастворимые друг в друге).
3. Повысить твердость «твердой» детали – закалка ТВЧ, лазер, ХТО (цементация, азотирование, борирование).
4. Применить несхватывающиеся материалы – рубины, керамика, пластмассы.

§2. Износостойкие материалы

Вообще износостойких материалов не существует, но существуют материалы, устойчивые в конкретных условиях изнашивания.

1. Ме, устойчивые против абразивного изнашивания

Н_дет ≥ 0,5-0,7 Н_{абразива};

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.

1. 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.

1. 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), М_отп.

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, f_тр – 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 f_тр и по р, V_уд, где р – давление вала:

1) мягкая матрица и твердые включения, твердая матрица и мягкие включения:

баббиты Sn или Pb – Sn+8Sb+3Cu+Cd, f_тр ~ 0,005,

баббиты размягчаются при 100°С, используются как вкладыши опоры в цельном методе заливки;

2) Cu + 30% Pb (твердый материал + включение)

Бронза: f_тр ~ 0,008, высокоскоростные валы электродвигателей, из-за высокой теплопроводности серый чугун.