Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

сационной стойкости мартенситные стали дополнительно легируют вольфрамом, ванадием и молибденом.

Мартенситно-стареющие стали на основе Fe–Ni (Н18К9М5Т,

Х18К8М4ТЮ и др.) и на основе Fe–Ni–Cr (Х12Н10Д2Т5,

Х18Н8К5М2ТЮ) используют благодаря их высокой релаксационной стойкости и высокому значению предела упругости.

Стали на основе Fe–Ni–Cr с высоким содержанием Cr и Ni являются также коррозионно-стойкими и используются при температурах до 400−450 °C. Для более высоких температур эксплуатации (500−550 °С) применяют стали системы Fe–Ni–Cr–Mo. Составы некоторых пружинных сталей приведены в табл. 22.25.

Таблица 22.25

Химический состав пружинных сталей

При старении холоднодеформированных аустенитных пружинных сталей происходит повышение предела упругости вследствие выделения второй фазы. Например, у стали 06Х15Н20М2Т2 из-за выделения интерметаллидной фазы Ni3Ti при отпуске при 400°С предел упругости увеличивается в 2 раза (σ0,03 1800 МПа).

Пружинные материалы в приборостроении. Упругие элементы приборов, кроме высоких пределов упругости, выносливости и релаксационной стойкости, должны обладать высокой коррозионной стойкостью, электропроводимостью и быть немагнитными.

Важнейшее эксплуатационное требование к упругим элементам приборостроения − точная и стабильная характеристика свойств.

591

Характеристикой упругого элемента называют зависимость деформации ε упругого элемента от приложенного усилия Р (рис. 22.12). Примером характеристики пружины является зависимость ее осадки от сжимающего усилия; пластины реле − перемещения свободного конца от действующей на него нагрузки.

Характеристика упругого элемента должна быть линейной, иначе нельзя обеспечить необходимую точность прибора. Кроме того, она должна допускать максимально большое упругое перемещение. Чем оно больше при одном и том же усилии, тем выше чувствительность упругого элемента. Так, из рис. 22.12 видно, что при одинаковой нагрузке Р2 упругое перемещение элемента 1 больше, чем второго элемента (ε1 > ε2). 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 ε1 (см. рис. 22.12), 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. 22.12) определяется модулем упругости. Чем он меньше, тем больше упругая деформация, наибольшая величина которой εmax = = σ0,002/Е. 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 два раза меньший модуль упру-

592

гости. Различие в модуле упругости этих материалов иллюстрирует рис. 22.12: характеристика 1 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 σ1 деформация будет соответствовать точке а (рис. 22.13) и лишь спустя некоторое время достигнет своего истинного значения − точки b.

иупругое последействие

Врезультате 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 релакса-

593

ции 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. 22.14). 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 εmax.

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, которая рассеивается вследствие теплообмена в окружающую среду, расходуется на изгибание дислокаций, 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 принимают за величину внут-

реннего трения (рис. 22.15). От-

ношение резонансной частоты fрез к ширине интервала f называют

добротностью.

594

Бериллиевые бронзы используют для изготовления упругих элементов ответственного назначения. Бериллиевые бронзы − сплавы на медной основе с высоким пределом упругости и низким модулем упругости (табл. 22.26). Такое сочетание свойств обеспечивает малые неупругие эффекты при больших упругих деформациях. Кроме того, такие сплавы не магнитные, обладают высокой коррозионной стойкостью, электоропроводимостью, хорошей технологичностью, а также способностью упрочняться термической обработкой.

Увеличение содержания бериллия повышает предел упругости. Однако высокая стоимость бериллия ограничивает применение такого сплава.

Дальнейшее повышение предела упругости достигается микролегированием бериллиевых бронз бором (0,01 %) или магнием (0,1 %). Введение этих поверхностно-активных элементов изменяет процессы старения в сторону увеличения объемной доли выделяющихся частиц, степени их дисперсности, а также плотности и равномерности их распределения. Микролегирование заметно повышает предел упругости и снижает неупругие эффекты (сплав БрБНТ1,9Мг в табл. 22.26).

Таблица 22.26

Состав и свойства термически упрочненных сплавов для упругих элементов приборов

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 БрБНТ1,9, дефор-

595

мированный на 50 % в закаленном состоянии, после старения при

350 °С в течение 0,25 ч имеет предел упругости σ0,002 = 1000 МПа. Железоникелевые сплавы менее дефицитны и дешевле берил-

лиевых бронз. Они имеют примерно тот же предел упругости, но обладают более высоким модулем упругости, что снижает допустимые упругие деформации элемента. Так, сплав 36НХТЮ, применяемый для упругих элементов, является сплавом на железной основе. Высокое содержание Ni и Cr 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 с никелем и железом образуют интерметаллидные фазы переменной растворимости, что позволяет упрочнять сплав термической обработкой: после закалки от 925−950 °С сплав получает однофазную структуру (пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в аустените), а в процессе последующего старения из аустенита выделяется промежуточная метастабильная γ′-фаза, упрочняющая сплав. Дополнительное легирование молибденом в количестве 8 % (сплав 36НХТЮМ8) после термической обработки позволяет получить предел упругости

σ0,002 = 950 МПа.

22.5.Материалы, склонные к сверхпластичности

22.5.1.Явление сверхпластичности

Сверхпластичность − способность материалов к большим пластическим деформациям без нарушения внутренней сплошности. Она проявляется при высоких гомологических температурах под влиянием очень низких напряжений и сильно зависит от скорости деформации.

Можно выделить следующие характерные признаки сверхпластической деформации (СПД): очень высокие показатели удлинения; отсутствие на образцах ярко выраженной зоны локализации деформации (нет «шейки») и заметное при этом снижение сопротивления деформации.

596

Сверхпластичность проявляется в двух видах процессов.

1.В результате действия внутренних напряжений, индуцированных особыми внешними условиями, не зависящими от напряженнодеформированного состояния материала. Это может происходить, например, во время деформации металлов в температурном интервале полиморфных превращений или в других подобных условиях. Считается, что такие процессы приводят к возникновению в материале пор и других микродефектов, и это не позволяет использовать материал при изготовлении из него качественных изделий.

2.Особый интерес представляет структурная пластичность, которая наблюдается в области малых скоростей деформации в металлах и сплавах с очень мелкими (1–10 мкм) и равноосными зер-

нами при температуре T ≥ 0,5 Tпл. При этих температурах протекает активная диффузия атомов, и деформация не приводит к образованию внутренних микротрещин. Этот процесс является чрезвычайно чувствительным к размеру зерна.

В условиях СПД зависимость сопротивления деформации σ от степени и скорости деформации имеет вид

где A − эмпирическая постоянная; n и m − коэффициенты деформационной и скоростной чувствительности конкретного материала.

Коэффициент m соответствует способности материала сопротивляться образованию «шейки». Высокие значения m являются необходимым условием получения больших удлинений (рис. 22.16). Идеально пластичному материалу соответствует m = 0, а вязкопластичному (ньютоновское течение) m = 1.

Схематические зависимости напряжения (сопротивления деформации) и коэффициента скоростной чувствительности m от скорости деформации приведены на рис. 22.17. На кривой сверхпластичности lgσ − lgέ можно выделить три характерных участка.

Стадия I наблюдается при низких скоростях деформации и характеризуется коэффициентом скоростного упрочнения m < 0,5, причем при значении коэффициента m < 0,3 СПД вообще не наблюдается. Во многих случаях значение m ≈ 0,5 сохраняется при изменении έ на несколько порядков.

597

Стадия II характерна для интервала скоростей деформации έ от 10–4 до 10–2 с–1. При этом коэффициент скоростной чувствительности достигает значения m ~ 0,8.

Стадия III проявляется при высоких скоростях деформации (έ > 10–2 c–1), причем при этих значениях έ происходит снижение m, приближаясь к значению, характерному для пластичных материалов.

При очень низких скоростях деформации параметр m уменьшается до нуля, а сопротивление к деформации приближается к константе.

Температура также оказывает существенное влияние на изменение скоростной чувствительности. Увеличение температуры приводит к изменению формы кривой СПД, приводя к ее смещению в область больших скоростей деформации и мень-

ших напряжений (рис. 22.18).

Рис. 22.18. Зависимость коэффициента m от температуры

598

Обычно для металлов с увеличением температуры от 0,4 до 0,98Тпл параметр m возрастает от 0,02 до 0,2.

Сверхпластичность сильно зависит от факторов, влияющих на присутствие в микроструктуре мелкого стабильного зерна − химического состав сплава, термообработки материала и др.

Напряжение сверхпластического течения для высоких гомологических температур имеет вид

где d − размер зерна; 0,7 ≤ a ≤ 2, причем наиболее часто а = 1.

Для низких гомологических температур выполняется соотноше-

где a ≈ 0,5.

Различают три основных вида сверхпластичности металлических материалов.

Структурная сверхпластичность металлов и сплавов обуслов-

лена ультрамелкозернистой структурой при отсутствии фазовых превращений в твердом состоянии.

Субкритическая сверхпластичность возникает вблизи темпера-

туры диффузионного фазового (полиморфного) превращения материала в твердом состоянии. В данном случае СПД слабо зависит от размеров исходного матричного зерна.

Мартенситная сверхпластичность соответствует интервалу температур бездиффузионного (мартенситного) превращения.

Структурная сверхпластичность (рис. 22.19) характерна для материалов с размером зерна 0,5÷10 мкм и наблюдается в интервале температур 0,6–0,85Тпл с оптимальной скоростью деформации при растяжении в 10–4–10–3 с–1.

Мелкозернистую структуру можно получить методами предварительной деформации (всестороннее обжатие), приводящей к измельчению структуры и повышению ее однородности, и порошковой металлургии.

Субкритическая сверхпластичность характерна для металлов и сплавов, претерпевающих в твердом состоянии диффузионные фазовые (полиморфные) превращения, и проявляется в очень узком температурном интервале (10–20 °C).

599

Рис. 22.19. Температурная зависимость структурной сверхпластичности:

1 − обычное состояние;

2 − сверхпластичность

Высокая пластичность и малое сопротивление пластической деформации имеют место около температуры фазового перехода и связаны с состоянием предпревращения − ослаблением межатомных связей и потерей устойчивости кристаллической решетки. Температурная зависимость СПД схематически представлена на рис. 22.20.

Мартенситная сверхпластичность наблюдается в различных сталях и сплавах в интервале температур мартенситного превращения (рис. 22.21), при котором также происходит потеря устойчивости кристаллической решетки в состоянии предпревращения.

600