11.2. Пружинные материалы приборостроения

Упругие элементы приборов, кроме высоких пределов упругости, выносливости и релаксационной стойкости, должны обладать высокой коррозионной стойкостью, немагнитностью, электропроводимостью.

Одно из важнейших эксплуатационных требований - точная и стабильная характеристика. Характеристикой называют зависимость деформации упругого элемента от приложенного усилия Р (или напряжения) (рис. 11.3). 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

Рис. 11.3. Характеристика двух упругих элементов

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 упругое перемещение первого элемента больше, чем второго . 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 8] (см. рис. 11.3), первый элемент требует меньшего усилия, чем второй, поэтому качество его выше.

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 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 почти в 2 раза меньший модуль упругости. Различие в модуле упругости этих материалов иллюстрирует рис. 11.3; характеристика I соответствует бронзам, характеристика -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 (см. рис. 11.1) деформация будет соответствовать точке а и лишь спустя некоторое время достигнет своего истинного значения точки . 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, и 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 .

Рис. 11.4. Петля упругого гистерезиса

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 магнитно-упругий эффект, связанный с механострикцией.

В идеально упругом материале при циклической нагрузке, частота которой совпадает с собственной частотой упругого элемента, в результате резонанса наблюдается резкое возрастание амплитуды колебаний элемента. В реальных поликристаллах амплитуда колебаний упругого элемента растет в некотором интервале частот, что является проявлением внутреннего трения. Ширину этого интервала на высоте 0,7 максимального значения амплитуды условились принимать за величину внутреннего трения (рис. 11.5). Отношение резонансной частоты к ширине интервала 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 - это 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 этого, сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, электропроводимостью, немагнитностью, хорошей технологичностью, а также способностью упрочняться термической обработкой.

Например, сплав в котором содержание бериллия составляет около после закалки и старения имеет предел упругости (табл. 11.1).

Увеличение содержания бериллия до повышает предел упругости. Однако высокая стоимость бериллия ограничивает применение такого сплава. Широко используется сплав легированный титаном и никелем. По упругим свойствам он мало уступает сплаву (см. табл. 11.1).

Дальнейшее повышение предела упругости достигается микролегированием бериллиевых бронз бором (0,01%) или магнием Введение этих поверхностно-активных элементов изменяет процессы старения в сторону

Рис. 11.5. Резонансная кривая упругого элемента

ТАБЛИЦА 11.1. (см. скан) Свойства термически упрочненных сплавов для упругих элементов приборов

увеличения объемной доли выделяющихся частиц, степени их дисперсности, а также плотности и равномерности их распределения. Микролегирование заметно повышает предел упругости и снижает неупругие эффекты (см. табл. 11.1, сплав

Разработаны способы термомеханической обработки бериллиевых бронз, при которой сплавы подвергают холодной пластической деформации в закаленном состоянии. Это приводит к более значительному росту предела упругости при старении и к сильному снижению упругого последействия. Так, сплав деформированный на 50% в закаленном состоянии, после старения при 350 °С в течение имеет предел упругости

Железоникелевые сплавы менее дефицитны и дешевле бериллиевых бронз. Они имеют примерно тот же предел упругости, но обладают более высоким модулем упругости, что снижает допустимые упругие деформации элемента.

Сплав 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 обрабатываемости давлением и свариваемости. Титан и алюминий образуют с никелем и железом фазы переменной растворимости в аустените, что позволяет упрочнять сплав термической обработкой.

После закалки от сплав получает однофазную структуру. В процессе искусственного старения из аустенита выделяется промежуточная метастабильная у-фаза, упрочняющая сплав. После старения при в течение сплав имеет предел упругости

Дополнительное легирование молибденом в количестве после термической обработки позволяет получить предел упругости Применение термомеханической обработки для сплава повышает предел упругости до