弹性合金

(2) 弹性合金应用
一般弹性合金，主要是弹簧钢，大量用于机器制造，如制造内燃机的 阀门弹簧，离合器控制弹簧，汽车、火车、拖拉机、大炮、飞机的缓冲弹 簧、吸振弹簧，以及仪器仪表制造中一般要求的弹簧。特殊要求的高弹性 合金，要求高弹性模量、高弹性极限、低内耗，有时要求具有耐腐蚀、耐 高温、高导电、抗磁等性能。弹性合金广泛地使用于航空、精密仪表和精 密机械中的弹性元件中： 可用于压紧零件，作弹性导轨、触点片，用于测量振动、密 封，以及作发动机转子的刮片弹簧。
③ 第二相的沉淀形成沉淀强化，与第二相的性质、数量、形状、大小和
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分布状态有关。
④ 冷加工产生位错密度升高，位错交割，从而提高位错滑移阻力，称形 变强化。
⑤ 通过相变形成高强度相的相变强化，如钢中的马氏体相变。 表示材料开始塑性变形前，单位体积所吸收的最大弹性 形变。其计算公式为
1 1 e2 W e e 2 2 E
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其断面收缩率可达51%；而索氏体组织压缩变形95%， 断面收缩率只有35%。但当下贝氏体的冷变形量很高 时(90%)，钢丝的扭转次数比索氏体要低。另外，下 贝氏体处理所费的等温时间较长。
性合金有利，对使用者并不方便。另外，随工艺的进展，一些弹性合金 不是单一的强化方法就可解决，如马氏体时效弹性合金。 ① 形变强化类 锡青铜等。 主要用冷变形，这类弹性合金有奥氏体类不锈钢、黄铜、 以马氏体相变达到强化，如碳钢和合金钢、马氏
② 马氏体相变强化类 体类不锈钢。
③ 沉淀强化类 通过时效沉淀，析出弥散的第二相强化，如在铁基、钴 基合金或铍青铜中加入铝、钛、铌等元素后，进行固溶后时效处理。
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当外力去除后，由于吸引力作用，将重新拉回平衡位置r0；在受压时，r0 减小，能量增高，偏离平衡点使其排斥力增大；当外力去除后，由于排斥 力作用，将重新拉回平衡位置r0。当然，外力是在一定的范围，如图1中 超过rm距离后，r再增加，吸引力将消失，材料将发生断裂。 宏观上，固体材料在外力作用下，随载荷的增加都要经历弹性变形、 塑性变形和断裂三个阶段，图2示出普通钢的拉伸曲线。其中Ob为弹性 段，ζe称弹性极限、Oa为比例段，ζp为比例极限。应力在Ob范围， 去除外力后，材料可完全恢复，无残留变形； 在Oa阶段，应力和应变的变化保持线性比例 关系；Oc达屈服强度ζs，在此应力，材料 将发生塑性变形，材料失去弹性，将有残留 变形发生。图中比例阶段的夹角tanα，定义 为正弹性模量E=ζ/ε。除正弹性模量外，还 有表示材料抵抗切应变弹性模
2)弹性极限
影响弹性极限的因素：
① 纯金属加入溶质原子形成固溶体，使其位错滑移的临界切应力提高， 产生固溶强化，从而提高弹性极限和屈服强度。 ② 细化晶粒、晶界可阻碍位错滑移的塑性变形，屈服强度和晶粒尺寸存 在Hall-Petch关系:ζs=ζ0+Kd-1/2，其中，ζ0、K为材料常数，d为晶粒 直径。
(2)一般弹簧钢的强化方法
1)冷变形强化
可使弹簧钢获得很高的强度，显著提高弹簧钢的微量
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塑性变形的抗力。 ① 索氏体状态下的冷变形强化。索氏体是细化的珠光体，通过索氏体化 或正火处理得到。在塑性足够的条件下，将具有索氏体组织的高碳钢合 金冷拉到0.3mm直径时，其抗拉强度可达3720MPa；冷拉到0.1mm直径， 其抗拉强度为4800MPa。如采用淬火和低温回火，其抗拉强度不超过 2450MPa。 用这类方法处理的钢包括碳素钢和含锰钢65Mn，琴钢丝T8MnA。钢 中碳的质量分数从0.9％提高到1.2%时，在相同的压缩率(约为94％)下钢 的强度可从2670MPa提高到2974MPa(303.5kgf/mm2)，采用含碳的质量 分数1.2％的钢进行适当的索氏体处理后，再用很高的压缩率进行冷拉， 钢丝的抗拉强度几乎可达5000MPa。 冷拉钢丝的直径越细，其强度、弹性模量E和G越高。表2列出冷拉弹 簧钢的弹性模量和直径关系。
U (r ) A B rm rn
(1)
F
U mA nB m 1 n 1 r r r
(2)
式(1)和(2)可用图1所示。r0是平 衡距离，在受拉伸时，r 增大，能量 图1 U(r)和F随r的变化: a)原子间的相 增高，偏离平衡点使其吸引力增大； 互作用力; b) 原子间的相互作用势
④ 不均匀有序强化类 如Cu-Ni-Mn基弹性合金。
⑤ 氧化法强化
如Ag-Mg-Ni合金。
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2)按化学成分分类 将弹性合金分成铁基、镍基、钴基、铜基、铌基
等，有利于研究。
3)按使用和性能分类 合金性能和特征清晰，便于应用和选择。分为
一般弹性合金、耐腐蚀弹性合金、高温弹性合金、高导电弹性合金、特种 性能弹性合金、恒弹性合金。
(2) 弹性合金的性能表征
弹性模量的物理意义和技术意义：E和G的物理意义是 产生单位应变时所需的应力大小，其单位为MPa，其计算公式为
E
1)弹性模量
F/A Fl , l l / l EA
(3)
பைடு நூலகம்
当零件的几何尺寸(l，A)和外加载荷(F)一定时，零件的变形(△l)取决于弹 性模量，E×A称为材料的刚度。刚度越大，弹性形变越不容易；弹性模 量越大，越有利于弹性元件的小型化。
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表1 碳素弹簧钢和合金弹簧钢的临界淬火直径 钢号 碳素弹簧钢 65Mn 60Si2MnA 50CrMn 50CrVA，60Si2CrA 60Si2CrVA 65Si2MnWA 60CrMnB 60CrMnMo 6~8 15 20~25 30~35 40~45 50 50 60 73~108 临界淬火直径/mm
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等会产生弹性零件的提前失效。
5)疲劳极限 疲劳极限σ-1是指在对称循环弯曲条件下，材料承受无
限大次数的应力循环后不破坏的极限应力。疲劳极限在不同应力状态(如 弯曲、拉压、扭转或复合应力)下是不同的。一般将5×107或108次循环 下不断裂的最大应力称为条件疲劳极限。疲劳极限和抗拉强度之间存在 一些经验关系：ζ-1/ζb=0.35~0.55。影响疲劳极限的因素有元件的表面质 量，用表面抛光、表面热处理和化学处理等方法可提高疲劳极限；元件 的应力状态．如循环间隙可提高疲劳极限，在低于80％σ-1下循环后，再 逐步提高应力也可提高疲劳极限。
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影响弹性模量的因素：
① 原子结构与点阵类型 通常金属的弹性模量是元素原子周期的函数。 图3金属弹性模量与原子序数关系。 同一周期的元素其弹性模量随原 子序数的增加而增加；同一族的元 素随原子序数的增加和原子半径的 增加而减小。过渡金属显示特殊规 律，它的弹性模量一般都很大。
② 温度和合金相变的影响 温度升高， 原子间距加大，原子间结合力降低， 图3 金属弹性模量与原子序数关系 弹性模量下降。某温度发生 材料结构相变或磁性转变时，由于不同结构的点阵常数不同或磁至伸 缩的影响，在相变温度会出现弹性模量的异常。
6)温度影响弹性模量和弹性材料的强度 在同一温度下，随时间增
加，材料组织不稳定引起蠕变。夹杂物和气体降低高温下的弹性元件性能。
7)内耗 内耗是弹性不完整性的表现。与阻尼合金相反，对于弹性材料
的要求，其内耗越小越好。
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2.弹性合金的分类和应用
(1) 弹性合金的分类
1)按强化方式分类 根据强化手段和特征分类的分类法，对研究弹
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1)片弹簧
用于加力或测力的敏感元件。螺旋弹簧和波纹管的组合， 可测量、控制压力。螺旋弹簧可制成拉伸、压缩、锥形和扭转类型件。
2)螺旋弹簧
3)盘簧
将带材绕成平面螺旋，可用作发条、游丝。
作弹性敏感元件，用于航空高度表、机械压力表、交 通速度表、航海波浪表、气象气压表、火箭液氧表，化工，以及介质隔离， 冶金测温。
4)膜片和膜盒
5)波纹管管壁，弹性接头，高压真空电容器，气动调节。 6)弹簧管
用作压力位移转换、压力测量，在石油、化工系统使用。
7)弹性环、弹性筒、双金属片弹簧。
用于精确测量控制的钟表、天平、 测压和测力仪表。电子测力仪，电子计时，音叉型或磁致伸缩型的频率谐 振器、频率稳定器等。
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8)要求恒弹性场合下使用的元件
③ 形变强化 形变产生大量点缺陷，使弹性模量下降；大形变量形成织
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构，产生弹性模量的各向异性。
有三个参数非比例伸长应力ζP、弹性极限ζe和屈服点 ζs都反映了材料的弹性。但实际材料是由许多不同取向晶粒的多晶体组 成，当大部分晶粒处于弹性阶段时，已有少量晶粒发生塑性变形。工程 上将材料残留变形为0.001％~0.005%(≈10-3%)时的应力作为条件弹性极 限ζe。当然对处于扭转、弯曲状态的弹性材料来说，也有相应的比例极 限和弹性极限。
弹性合金(Elastic alloy)
1. 弹性的基本概念 2. 弹性合金的分类和应用 3. 一般弹簧钢 4. 耐蚀性弹性合金 5. 高温弹性合金 6. 高导电弹性合金 7. 恒弹性合金
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1.弹性的基本概念
(1) 固体的弹性
弹性是指固体材料在外力作用下发生变形，当外力去除后，材料自动 恢复原来的尺寸和形状的特性。弹性变形特征和金属与合金内部微观结构 的原子间相互作用密切相关。 两原子间的相互作用势U(r)和力F(r)与原子间的距离关系可用以下 公式表示：
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表2 冷拉弹簧钢的弹性模量和直径的关系 碳素钢丝 琴钢丝 钢丝直 径/mm 弹性模量E/MPa 切变模量G/MPa 弹性模量E/MPa 切变模量G/MPa >3.2 1.6~3.2 0.1~1.6 <1.6 196500 197200 197900 198600 78600 79200 80000 89670 193000 196500 200000 203400 80000 81000 81700 82700
3.一般弹簧钢
(1) 一般弹簧钢的类型
弹簧是一种最常用的零部件。金属和合金在弹性极限下都具有弹性， 原则上在此极限范围内都可作为和制作弹性元件。但在作为弹性材料使 用时，需要其有高的弹性极限、高的屈服强度和高的抗拉强度，好的塑 性和韧性，高的疲劳极限，加工表面有足够低的表面粗糙度值。 一般弹簧钢分为碳素弹簧钢(wc=0.6％~0.9%)，属中碳钢范围，如 65钢、70钢、75钢、85钢。由于碳素钢的淬透性低，抗松弛性不佳，耐 蚀性差，只适用于制造截面小、工作温度不高的弹性元件。在钢中加入 合金元素硅、锰、铬、钒、钨、硼的合金弹簧钢( wC=0.45％~0.70%)， 使其综合性能和淬透性提高，如65Mn、55Si2Mn、65Si2MnB、 70Si3Mn、60Si2CrA、60Si2MnWA、60Si2CrVA、50CrMn、50CrVA、 55SiMnVB、30W4Cr2VA、55SiMnMoV、55SiMnMoVNb等。表1列出 碳素弹簧钢和合金弹簧钢的临界淬火直径。