16.2. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости

Сплавы помимо низких значений температурного коэффициента линейного расширения при некоторых концентрациях никеля, обладают еще одним замечательным свойством — малым температурным коэффициентом модуля упругости.

Во всех твердых телах, в том числе и металлах, модуль упругости при нагреве уменьшается в связи с уменьшением энергии межатомных связей.

В некоторых сплавах называемых элитарными, наблюдается аномалия в изменении модуля упругости при нагреве, который либо растет, либо изменяется очень незначительно.

Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов электромеханических фильтров и пр.). Постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора в условиях эксплуатации.

Природа аномальности изменения модуля упругости при нагреве, так же как и природа инварности, ферромагнитного происхождения.

Внешние растягивающие напряжения действуют на ферромагнетик подобно магнитному полю, ориентируя магнитные векторы доменов и вызывая магнитострикцию (линейную и объемную), которую в этом случае называют механострищиеи.

В результате общая деформация ферромагнетика при воздействии на него внешних напряжений будет складываться из упругомеханической 50 и механострикционной составляющих.

Модуль нормальной упругости для ферромагнетика определяется по формуле

т. е. значения модуля упругости занижены вследствие дополнительной деформации ферромагнитной природы.

На рис. 16.5 показана диаграмма упругой деформации ферромагнетика. Если до приложения нагрузки наложить очень большое внешнее магнитное поле, которое исчерпает магнитострикционную деформацию, модуль упругости ферромагнетика будет определяться только упругомеханической деформацией и значения его будут большими:

Таким образом, во всех ферромагнитных материалах модуль нормальной упругости несколько занижен из-за наличия деформации ферромагнитной природы:

В элинварных сплавах вследствие большой объемной механосгрикции парапроцесса эффект, в отличие от остальных ферромагнетиков, приобретает большое значение и вызывает аномальное изменение модуля упругости при нагреве.

Возможный характер зависимости модуля упругости Е ферромагнитного материала от температуры нагрева показан на рис. 16.6. Уменьшение при нагреве обусловлено

Рис. 16.6. Схема изменения модуля упругости ферромагнетика при нагреве

ослаблением сил межатомного взаимодействия. Снижение с повышением температуры, вызванное уменьшением намагниченности ферромагнетика, приводит не к снижению, а, наоборот, к росту модуля нормальной упругости Е. Из этой же схемы следует, что модуль упругости ферромагнетика может также сохраняться постоянным до температуры точки Кюри.

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для краткости термоупругим коэффициентом у, определяет характер изменения модуля упругости при нагреве. В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растет, а также знак минус, когда модуль упругости, как и у неферромагнитных материалов, снижается:

где - модуль упругости при

В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положительное значение и может быть равным нулю.

Для сплавов значения термоупругого коэффициента определяются содержанием никеля (рис. 16.7). В сплавах, содержащих от 29 до 45% Ni, коэффициент у имеет положительное значение, что свидетельствует о наличии большой аномалии в изменении модуля нормальной упругости при нагреве.

Сплавы с содержанием 29 и 45% Ni имеют нулевые значения коэффициента 7. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко изменяют значения у. Поэтому сплавы дополнительно легируют хромом, который делает эту зависимость менее резкой и позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение у, близкое к нулю.

Первым сплавом такого типа был сплав названный элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуществами обладает недостатками. Во-первых, он имеет низкие значения механических характеристик, которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, шлав имеет невысокую температуру точки Кюри что ограничивает рабочий интервал температур.

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием что позволило упрочнять его термической обработкой, но дополнительно снизило температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав

Рис. 16.7. Зависимость термоупругого коэффициента у от содержания никеля в сплавах Fe-Ni

ТАБЛИЦА 16.2. Химический состав (ГОСТ 10994 — 74) и рабочая температура элитарных сплавов

потерял свою ферромагнитность, а следовательно, и элинварность. Его используют как сплав с хорошими упругими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуются немагнитность и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах (см. гл. 11).

Дальнейшее распространение элинварные сплавы получили в виде сплавов с содержанием Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю (см. рис. 16.7). Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяет температурную область их применения. Для получения хороших механических свойств эти сплавы дополнительно легируют титаном и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой (табл. 16.2). Содержание углерода в сплавах должно быть минимальным.

Приведенные сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами и, что особенно важно, малым внутренним трением (см. гл. 11).

Сплавы для получения минимальных значений коэффициента у и внутреннего трения подвергают термической обработке: закалке от при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску - старению при 700 °С в течение 4 ч. В процессе старения в мелкодисперсном виде выделяется промежуточная метастабильная у-фаза.

Правильно проведенная обработка указанных сплавов позволяет получать значения коэффициента у в пределах в интервале температур 20-100 °С. Основной недостаток данных сплавов - нестабильность значения коэффициента у при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.