АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Пружинные стали

Стали и сплавы с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения; в приборостроении – для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок и т.п.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости разрушения, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении – релаксационной стойкостью.

Релаксационная стойкость оценивается сопротивлением релаксации напряжений. Релаксация напряжений характеризуется снижением рабочих напряжений в изделии от σ₁ до σ₂ при заданной упругой деформации ε₁ (рис. 16.6). Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе части упругой деформации в пластическую (ε_ост) упругие элементы после разгрузки изменяют размеры и форму. Например, долгое время сжатая пружина или изогнутая пластина реле при снятии нагрузки полностью не распрямляется и теряет упругие и эксплуатационные свойства.

Релаксация напряжений происходит при микропластической деформации, которая совершается в отдельных зернах и накапливается во времени. При напряжении ниже предела упругости микропластическая деформация может быть вызвана изгибом дислокаций или срывом отдельных из них с мест закрепления при малых напряжениях и перемещением заторможенных дислокаций при повышенных напряжениях.

В связи с этим для достижения в сплаве высокого предела упругости и релаксационной стойкости необходимо создать стабильную дислокационную структуру, в которой прочно заблокированы не большинство, а практически все дислокации. Кроме того, такая структура должна иметь невысокий уровень микронапряжений, которые, суммируясь с рабочими, облегчают перемещение дислокаций.

Для закрепления дислокаций используют все средства создания эффективных барьеров: легирование, повышение плотности дислокаций, выделение дисперсных частиц вторичных фаз. Наиболее благоприятную субструктуру, обеспечивающую высокие упругие свойства, формирует термомеханическая обработка. Ее успешно применяют для всех пружинных сплавов.

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию, равную σ_0,002/ε. В связи с этим их применяют для изготовления жестких (силовых) упругих элементов. Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении. Кроме того, они находят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения.

Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5 – 0,7 %), которые подвергают закалке и отпуску при 420 – 520 °C.

Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел упругости. Он заметно повышается при отпуске, когда образуется структура троостита (рис. 16.7). В этой структуре феррит из-за сильного фазового наклепа имеет высокую плотность малоподвижных дислокаций, которые, кроме того, эффективно блокируются дисперсными карбидными частицами. Поэтому троостит отличается стабильной дислокационной структурой.

Кроме высоких упругих свойств, отпуск на троостит обеспечивает некоторое повышение пластичности и вязкости разрушения (особенно в сталях, не склонных к отпускной хрупкости), что важно для снижения чувствительности к концентраторам напряжений и увеличения предела выносливости.

Хорошие результаты дает также изотермическая закалка на структуру нижнего бейнита. Она обеспечивает высокие механические свойства при малой деформации изделий.

Небольшие пружины простой формы изготовляют из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Термической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штамповкой.

Сталь для рессор поставляют в виде полосы. Нарезанные из нее заготовки закаливают в специальных штампах с определенной стрелой прогиба, затем отпускают и собирают в виде пакета. Рессорно-пружинные стали 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г (ГОСТ 14959 – 79) характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не пригодны для работы при температурах выше 100 °C. Из-за низкой прокаливаемости из них изготовляют пружины небольшого сечения.

Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959 – 79) относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются
Si (1 – 3 %), Mn (~ 1 %), а в сталях более ответственного назначения – Cr (~ 1%), V (~ 0,15%) и Ni (< 1,7%). Легирование (за исключением Si и Mn) мало влияет на предел упругости – главную характеристику этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более длительную и надежную работу.

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА применяют для пружин
и рессор толщиной до 18 мм. Стали стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию – опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. Ее преимущественно применяют для рессор толщиной до 14 мм.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520 °C), обладают теплостойкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300 °C.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях соответственно до 50 и 80 мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: σ_в ≥ 1800 МПа; σ_0,2 ≥ 1600 МПа; δ ≥ 5%; ψ ≥ 20 %. Их предел упругости составляет σ_0,01 – 880...1150 МПа, а твердость – 38 – 48 HRC. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживание, окалина, грубые риски и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении – 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5 – 2 раза.

Дата добавления: 2015-01-18 | Просмотры: 982 | Нарушение авторских прав