弹性合金

② 马氏体相变强化类 体类不锈钢。 体类不锈钢。
通过时效沉淀，析出弥散的第二相强化，如在铁基、 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、 铌等元素后，进行固溶后时效处理。 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。 ④ 不均匀有序强化类 ⑤ 氧化法强化 基弹性合金。 如Cu-Ni-Mn基弹性合金。 基弹性合金 合金。 如Ag-Mg-Ni合金。 合金
2)弹性极限 弹性极限
影响弹性极限的因素： 影响弹性极限的因素：
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， 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。 产生固溶强化，从而提高弹性极限和屈服强度。 细化晶粒、晶界可阻碍位错滑移的塑性变形， 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 关系:σ 其中， 为材料常数， 为晶粒 在Hall-Petch关系 s=σ0+Kd-1/2，其中，σ0、K为材料常数，d为晶粒 关系 为材料常数 直径。 直径。 第二相的沉淀形成沉淀强化，与第二相的性质、数量、形状、 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
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 温度影响弹性模量和弹性材料的强度 在同一温度下，
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。 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 内耗 内耗是弹性不完整性的表现。与阻尼合金相反，
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分布状态有关。 分布状态有关。 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， 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。 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。 通过相变形成高强度相的相变强化，如钢中的马氏体相变。
3)弹性比功 表示材料开始塑性变形前，单位体积所吸收的最大弹性 弹性比功 表示材料开始塑性变形前，
(2) 弹性合金的性能表征
弹性模量的物理意义和技术意义： 和 的物理意义是 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 产生单位应变时所需的应力大小，其单位为 ，
E=
1)弹性模量 弹性模量
σ F/A Fl , ∆l = = ε ∆l /效方式之一。因此，弹性材料既要 韧性 韧性断裂是弹性材料的失效方式之一。因此，
有良好的弹性，又要其备良好的韧性。材料的表面缺陷，如划痕、 有良好的弹性，又要其备良好的韧性。材料的表面缺陷，如划痕、裂纹
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等会产生弹性零件的提前失效。 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 疲劳极限 疲劳极限σ 是指在对称循环弯曲条件下，
弹性合金(Elastic alloy) 弹性合金
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.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， 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 是指固体材料在外力作用下发生变形 恢复原来的尺寸和形状的特性。 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。 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 和力F(r)与原子间的距离关系可用以下 两原子间的相互作用势 和力 与原子间的距离关系可用以下 公式表示： 公式表示：
(3)
当零件的几何尺寸(l， 和外加载荷 一定时，零件的变形(△ 取决于弹 和外加载荷(F)一定时 当零件的几何尺寸 ，A)和外加载荷 一定时，零件的变形 △l)取决于弹 性模量， × 称为材料的刚度 刚度越大，弹性形变越不容易； 称为材料的刚度。 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。 量越大，越有利于弹性元件的小型化。
的要求，其内耗越小越好。 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 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 按强化方式分类 根据强化手段和特征分类的分类法，
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 性合金有利，对使用者并不方便。另外，随工艺的进展， 不是单一的强化方法就可解决，如马氏体时效弹性合金。 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。 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、 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、 以马氏体相变达到强化，如碳钢和合金钢、马氏
U (r ) = − A B + rm rn
(1)
F =−
∂U mA nB = − m +1 + n +1 ∂r r r
(2)
可用图1所示 式(1)和(2)可用图 所示。r0是平 和 可用图 所示。 衡距离，在受拉伸时， 增大， 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 的变化: 原子间的相 和 随 的变化 增高，偏离平衡点使其吸引力增大； 互作用力; 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
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影响弹性模量的因素： 影响弹性模量的因素：
通常金属的弹性模量是元素原子周期的函数。 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。 金属弹性模量与原子序数关系。 图3金属弹性模量与原子序数关系。 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； 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。 增加而减小。过渡金属显示特殊规 它的弹性模量一般都很大。 律，它的弹性模量一般都很大。 温度升高， 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， 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。 弹性模量下降。某温度发生 材料结构相变或磁性转变时， 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。 缩的影响，在相变温度会出现弹性模量的异常。 ③ 形变强化 形变产生大量点缺陷，使弹性模量下降； 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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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 按化学成分分类 将弹性合金分成铁基、镍基、钴基、铜基、
有利于研究。 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 按使用和性能分类 合金性能和特征清晰，便于应用和选择。
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、 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。 性能弹性合金、恒弹性合金。
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( 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× 弯曲、拉压、扭转或复合应力)下是不同的。一般将 ×107或108次循环 下不断裂的最大应力称为条件疲劳极限。 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： 一些经验关系：σ-1/σb=0.35~0.55。影响疲劳极限的因素有元件的表面质 。 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； 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％ 下循环后， 的应力状态．如循环间隙可提高疲劳极限，在低于 ％σ-1下循环后，再 逐步提高应力也可提高疲劳极限。 逐步提高应力也可提高疲劳极限。
形变。其计算公式为 形变。
1 1 σ e2 W = σ eε e = 2 2 E
(4)
提高材料的弹性极限和降低弹性模量可提高弹性比功，例如： 提高材料的弹性极限和降低弹性模量可提高弹性比功，例如：一些受 力较小的软弹性材料，常选用弹性极限较高，而弹性模量低的铜合金， 力较小的软弹性材料，常选用弹性极限较高，而弹性模量低的铜合金，以 保证在较大变形时仍处于弹性变形范围。 保证在较大变形时仍处于弹性变形范围。
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产生弹性模量的各向异性。 构，产生弹性模量的各向异性。 有三个参数非比例伸长应力σ 弹性极限σ 有三个参数非比例伸长应力 P、弹性极限 e和屈服点 σs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 都反映了材料的弹性。 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。 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 上将材料残留变形为 ％ 时的应力作为条件弹性极 当然对处于扭转、弯曲状态的弹性材料来说， 限σe。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。 限和弹性极限。
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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 在受压时， 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， 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r 当然，外力是在一定的范围，如图1中 力作用，将重新拉回平衡位置 0。当然，外力是在一定的范围，如图 中 超过rm距离后，r再增加，吸引力将消失，材料将发生断裂。 超过 距离后， 再增加，吸引力将消失，材料将发生断裂。 再增加 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、 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， 示出普通钢的拉伸曲线。 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 为弹性 示出普通钢的拉伸曲线 其中Ob为弹性 称弹性极限、 为比例段 为比例段， 为比例极限。应力在Ob范围 范围， 段，σe称弹性极限、Oa为比例段，σp为比例极限。应力在 范围， 去除外力后，材料可完全恢复，无残留变形； 去除外力后，材料可完全恢复，无残留变形； 阶段， 在Oa阶段，应力和应变的变化保持线性比例 阶段 关系； 达屈服强度 达屈服强度σ 在此应力， 关系；Oc达屈服强度 s，在此应力，材料 将发生塑性变形，材料失去弹性， 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 变形发生。图中比例阶段的夹角 ， 为正弹性模量E=σ/ε。除正弹性模量外，还 为正弹性模量 。除正弹性模量外， 有表示材料抵抗切应变弹性模