Какими свойствами должна обладать сталь для пружины
Механические, а соответственно эксплуатационные свойства пружин — очень серьезный вопрос из-за того, что ни один механизм в технике не может работать без упругих элементов и деталей.
К таким деталям относятся не только пружины. Это могут быть распорные прокладки, контакты, растяжки. Самым знаменитым представителем пружинных изделий наверное являются шайбы Гровера, которые применяются в качестве прокладок в болтовых соединениях и благодаря упругим свойствам которых, создается некоторый перекос гайки, предотвращающий ее от саморазвинчивания. Такое название шайб происходит от фамилии Джона Гровера — английского инженера, который изобрел этот тип шайб.
Для того, чтобы эти изделия отлично справлялись со своей работой, они должны обладать рядом особых свойств.
- Высокая релаксационная стойкость — это стойкость против перераспределения напряжений путем микропластических сдвигов в условиях длительного нагружения. Проба на релаксационную стойкость – заневоливание, т.е. сжатие до соприкосновения витков и выдержка в этом состоянии определенное время. После снятия нагрузки пружина не должна изменять свои размеры. Как правило, требования по времени выдержки в заневоленном состоянии рагламентируются отраслевыми стандартами.
- Сопротивление микропластическим и малым пластическим деформациям — важнейшая характеристика качества пружинных сплавов, так как чем выше это сопротивление, тем меньше при данном приложенном напряжении неупругие и остаточные деформации и, следовательно, ниже все неупругие эффекты, определяющие свойства пружины. Как показывает практика, для получения высокого сопротивления малым пластическим деформациям стали должны иметь определенную микроструктуру. Хотя для разных пружинных сплавов используются различные методы обработки, все они имеют одну цель — обеспечение мелкозернистой микроструктуры, при которй все дислокации будут заблокированы.
- Материал для изготовления пружинных изделий должен обладать достаточной циклической стойкостью. Циклическая стойкость — способность материала сопротивляться действию знакопеременных циклических нагрузок. Характеристикой этой величины является предел выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном числе циклов обозначается σ-1.
- Определенный комплекс стандартных механических свойств в условиях статического нагружения, при испытаниях на растяжение, кручение, изгиб. Должна обеспечиваться высокая прочность, твердость и одновременно достаточная вязкость, во избежание хрупкого разрушения. Требуемые свойства обеспечиваются определенной микроструктурой и субструктурой. В микроструктуре пружинной стали должно присутствовать как можно больше препятствий для перемещения практически всех дислокаций, что создается мелкозернистым трением и равномерным распределением высоко дисперсных фаз, что характерно для структуры сорбита.
Методы торможения и блокировки дислокации в сплавах:
1) легирование твердого раствора, приводящее к повышению сопротивления кристаллической решетки движению дислокации;
2) дислокационный и фазовый наклеп, повышающие плотность дислокации;
3) создание сегрегаций на дислокациях, т.е. повышенная концентрация элементов внедрения и образование частиц выделения;
4) частицы карбидной фазы в повышенном количестве;
5) измельчение зерна.
Наиболее эффективный способ создания необходимых вышеперечисленных свойств это сочетание различных способов упрочнения:
— создание определенного химического состава сплава;
— создание определенной степени деформации, создающей благоприятную дислокационную структуру (ячеистую), но не вызывающую перенаклепа;
— проведение определенной термической обработки, которая сохранит определенную дислокационную структуру.
6 класс
Тест 12. Свойства металлов и сплавов
Вариант I
1. Сталь — это сплав:
□ а) железа с углеродом; □ б) цинка и медью;
□ в) железа с чугуном; □ г) меди со свинцом или алюминием.
2. Металлы и сплавы обладают:
□ а) лучшими свойствами;
□ б) вкусовыми качествами;
□ в) механическими и технологическими свойствами.
3. Какой сплав называют чугуном?
□ а) сплав железа с углеродом;
□ б) сплав железа с углеродом, содержащий до 2,14% углерода;
□ в) сплав железа с углеродом, содержащий до 3…4,5% углерода.
4. Какими свойствами должна обладать сталь для изготовления пружины?
□ а) хрупкостью; □ б) упругостью; □ в) твёрдостью;
□ г) пластичностью.
5. Какими свойствами должна обладать сталь для изготовления зубила?
□ а) прочностью, упругостью, вязкостью;
□ б) твёрдостью, прочностью, обрабатываемостью;
□ в) упругостью, вязкостью, малой плотностью.
6. В какой строке перечислены сплавы цветных металлов?
□ а) бронза, медь, олово;
□ б) латунь, медь, цинк;
□ в) бронза, латунь, дюралюминий;
□ г) чугун, сталь.
7. Встречаются ли в природных условиях сталь и чугун?
□ а) встречаются везде; □ б) не встречаются;
□ в) встречаются в горах; □ г) встречаются очень редко.
6 класс
Тест 12. Свойства металлов и сплавов
Вариант II
1.Чугун — это сплав:
□ а) меди с цинком или железом;
□ б) меди со свинцом или алюминием;
□ в) углерода с железом;
□ г) олова с медью.
2. Твёрдость — это способность:
□ а) проводить тепло;
□ б) выдерживать высокую температуру;
□ в) сопротивляться проникновению в металл более твёрдых тел.
3. Какой сплав называют сталью?
□ а) сплав железа с углеродом;
□ б) сплав железа с углеродом, содержащий до 2,14% углерода;
□ в) сплав железа с углеродом, содержащий 2,14—6,67% углерода.
4. Как называется свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия сил?
□ а) упругость; □ б) прочность; □ в) пластичность;
□ г) хрупкость.
5. Как называется свойство металла не разрушаться под действием различных сил?
□ а) прочность; □ б) твёрдость; □ в) упругость; □ г) вязкость.
6. Что является чистым черным металлом?
□ а) сталь; □ б) чугун; □ в) железо; □ г) бронза.
7. В какой строке перечислены цветные металлы?
□ а) медь, цинк, олово, серебро;
□ б) медь, бронза, железо;
□ в) медь, латунь, алюминий.
6 класс
Тест 14. Измерение штангенциркулем
1. Какова точность измерения линейкой?
□ а) 0,5 мм; □ б) 0,1 мм; □ в) 1 мм; □ г) 1см.
2. Что можно измерить с помощью штангенциркуля?
□ а) диаметр отверстия; □ б) угловые размеры;
□ в) размеры фасок; □ г) длину стола.
3. Сколько измерительных шкал имеет штангенциркуль?
□ а) одну; □ б) две; □ в) три; □ г) четыре.
4. Какова точность измерения штангенциркулем?
□ а) 0,5 мм; □ б) 0,1 мм; □ в) 1 мм; □ г) 1 см.
5. За счёт какой детали штангенциркуль имеет большую точность измерения?
□ а) штанги; □ б) нониуса;
□ в) глубиномера; □ г) рамки.
6 класс
Тест 14. Измерение штангенциркулем
1. Какова точность измерения линейкой?
□ а) 0,5 мм; □ б) 0,1 мм; □ в) 1 мм; □ г) 1см.
2. Что можно измерить с помощью штангенциркуля?
□ а) диаметр отверстия; □ б) угловые размеры;
□ в) размеры фасок; □ г) длину стола.
3. Сколько измерительных шкал имеет штангенциркуль?
□ а) одну; □ б) две; □ в) три; □ г) четыре.
4. Какова точность измерения штангенциркулем?
□ а) 0,5 мм; □ б) 0,1 мм; □ в) 1 мм; □ г) 1 см.
5. За счёт какой детали штангенциркуль имеет большую точность измерения?
□ а) штанги; □ б) нониуса;
□ в) глубиномера; □ г) рамки.
6 класс
Тест 13. Сортовой прокат
1. Сортовой прокат получают:
□ а) прокаткой нагретых слитков металла между валками станка;
□ б) на токарных станках;
□ в) при резании металла ножницами.
2. Что такое сортовой металлический прокат?
□ а) полуфабрикат определённой формы;
□ б) полуфабрикат определённой массы;
□ в) стандартный полуфабрикат различной формы.
3. Как получают прокат?
□ а) нанесением ударов кувалдой по раскалённому металлу;
□ б) расплавленный металл заливают в специальные формы;
□ в) обжатием нагретых слитков в валках стана.
4. Какой сортовой прокат используется для изготовления болтов и гаек?
□ а) квадрат; □ б) шестигранник; □ в) круг; □ г) швеллер.
5. Какой прокат используется в строительстве в качестве опоры (балки)?
□ а) полоса; □ б) рельс; □ в) утолок; □ г) швеллер.
6 класс
Тест 13. Сортовой прокат
1. Сортовой прокат получают:
□ а) прокаткой нагретых слитков металла между валками станка;
□ б) на токарных станках;
□ в) при резании металла ножницами.
2. Что такое сортовой металлический прокат?
□ а) полуфабрикат определённой формы;
□ б) полуфабрикат определённой массы;
□ в) стандартный полуфабрикат различной формы.
3. Как получают прокат?
□ а) нанесением ударов кувалдой по раскалённому металлу;
□ б) расплавленный металл заливают в специальные формы;
□ в) обжатием нагретых слитков в валках стана.
4. Какой сортовой прокат используется для изготовления болтов и гаек?
□ а) квадрат; □ б) шестигранник; □ в) круг; □ г) швеллер.
5. Какой прокат используется в строительстве в качестве опоры (балки)?
□ а) полоса; □ б) рельс; □ в) утолок; □ г) швеллер.
6 класс
Тест 15. Резание металла слесарной ножовкой
1. Металл режут:
□ а) канцелярскими ножницами;
□ б) топором;
□ в) слесарной ножовкой.
2. Какими по конструкции бывают ножовочные рамки?
□ а) раздвижными; □ б) цельными; □ в) раздвижными и цельными
3. Что представляет собой ножовочное полотно?
□ а) тонкую и узкую стальную пластину;
□ б) тонкую и узкую стальную пластину с зубьями на одном конце;
□ в) пластину с отверстиями;
□ г) широкую пластину с зубьями.
4. Какую форму имеют зубья ножовочного полотна?
□ а) клина; □ б) пластины; □ в) угла; □ г) острия.
5. Чем уменьшают трение ножовочного полотна о разрезаемый металл?
□ а) увеличением числа зубьев и смазыванием минеральным маслом;
□ б) разводкой зубьев и смазыванием маслом;
□ в) изменением формы зубьев и смазыванием маслом.
6. Под каким углом сгибают правую руку при работе ножовкой?
□ а) 110°; □ б) 45°; □ в) 90°; □ г) 60°.
7. Как располагают тонкий листовой металл при резке слесарной ножовкой?
□ а) закрепляют между деревянных брусков и разрезают вместе с брусками;
□ б) закрепляют в слесарных тисках;
□ в) располагают на верстаке.
6 класс
Тест 15. Резание металла слесарной ножовкой
1. Металл режут:
□ а) канцелярскими ножницами;
□ б) топором;
□ в) слесарной ножовкой.
2. Какими по конструкции бывают ножовочные рамки?
□ а) раздвижными; □ б) цельными; □ в) раздвижными и цельными
3. Что представляет собой ножовочное полотно?
□ а) тонкую и узкую стальную пластину;
□ б) тонкую и узкую стальную пластину с зубьями на одном конце;
□ в) пластину с отверстиями;
□ г) широкую пластину с зубьями.
4. Какую форму имеют зубья ножовочного полотна?
□ а) клина; □ б) пластины; □ в) угла; □ г) острия.
5. Чем уменьшают трение ножовочного полотна о разрезаемый металл?
□ а) увеличением числа зубьев и смазыванием минеральным маслом;
□ б) разводкой зубьев и смазыванием маслом;
□ в) изменением формы зубьев и смазыванием маслом.
6. Под каким углом сгибают правую руку при работе ножовкой?
□ а) 110°; □ б) 45°; □ в) 90°; □ г) 60°.
7. Как располагают тонкий листовой металл при резке слесарной ножовкой?
□ а) закрепляют между деревянных брусков и разрезают вместе с брусками;
□ б) закрепляют в слесарных тисках;
□ в) располагают на верстаке.
Ответы
Тест 12: | Тест 13: | Тест 14: | Тест 15: | |
Вар.I. | Вар. II. | |||
1 — а, | 1 — в, | 1 — а, | 1 — в, | 1 — в, |
2-в, | 2 — в, | 2 — а, | 2 — а, | 2 — в, |
3-а, | 3 — а, | 3 — в, | 3 — б, | 3 — б, |
4-б, | 4 — а, | 4 — б, | 4 — б, | 4 — а, |
5-б, | 5 — а, | 5 — г. | 5 — б. | 5 — б, |
6-в, | 6 — в, | 6 — в,. | ||
7-б. | 7 — в. | 7 — а | ||
По материалам:
Дерендяев К.Л. в помощь школьному учителю,
Поурочные
разработки по технологии (вариант для мальчиков):
6 класс,
М.: ВАКО, 2009
Для получения высоких упругих характеристик рессорно-пружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском для получения в структуре троостита. Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик используют стали, легированные кремнием, хромом и ванадием.
Характерным признаком рессорно-пружинных сталей является наличие в них углерода в количестве 0,5…0,8 %. По составу эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными.
Рессорно-пружинные стали, прежде всего, должны обладать высоким пределом текучести, что обеспечивает высокие упругие свойства. Это достигается закалкой с последующим средним отпуском. Температура отпуска должна выбираться в пределах 350–500 °С (иногда, в зависимости от состава и назначения может доходить и до 600 °С). Кроме того, они должны обладать высоким пределом выносливости и достаточно высоким пределом прочности. А вот пластичность этих сталей должна быть пониженной (5–10 % по относительному удлинению и 20–35 % по относительному сужению). Это связано с тем, что в рессорах и пружинах не допускается пластическая деформация.
Углеродистые стали используются для изготовления пружин небольшого сечения, работающих при невысоких напряжениях. Закалка этих сталей проводится в масле. В таблице 1 приведены режимы термической обработки, механические свойства (минимальные) и предел выносливости (расчетный) для углеродистых сталей.
Таблица 1 — Режимы термической обработки углеродистых пружинных сталей
Примечание
- Предел выносливости вычислен по формулам: σ-1 = 0,29σВ + 79,2 и σ-1 = 0,45σ0,2 + 95,4.
- К недостаткам углеродистых пружинных сталей следует отнести невысокий предел упругости и невысокую прокаливаемость. Критический диаметр этих сталей при закалке в масле не превышает 25 мм.
Чаще для изготовления рессор и пружин используются кремнистые стали с концентрацией кремния 2 % (50С2, 55С2 и 60С2). Кремний в таких сталях задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и, стало быть, к повышению упругих характеристик. Условный предел текучести (σ0,2) этих сталей составляет 1100–1200 МПа, предел прочности – 1200…1300 МПа, относительное удлинение 6 %, относительное сужение 30–25 % и предел выносливости, рассчитанный по условному пределу текучести, составляет 42–44 МПа.
К недостаткам этих сталей следует отнести их склонность к обезуглероживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей обработки, приводящих к снижению предела выносливости. В целях предотвращения образования указанных дефектов, кремнистые стали дополнительно легируют хромом, марганцем, ванадием, никелем и вольфрамом.
Режимы термической обработки кремнистых рессорно-пружинных сталей приведены в таблице 2.
Стали марок 50С2, 55С2, 60С2 и 70С3А можно использовать для изготовления пружин и рессор диаметром или толщиной до 18 мм. Они проявляют стойкость к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию, приводящему к снижению предела выносливости.
Сталь 60С2ХА идет для изготовления крупных пружин ответственного назначения. При закалке в масле она прокаливается на глубину до 50 мм. Недостатком этой стали является ее склонность к обрыву в процессе волочения.
Стали марок 60С2Н2А и 60С2ХФА обладают более высокой прокаливаемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответственного назначения. При этом сталь 60С2Н2А обладает наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Общий недостаток кремнистых рессорно-пружинных сталей заключается в их повышенной чувствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, забоины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости. Поэтому в настоящее время в практике широко применяются бескремнистые рессорно-пружинные стали.
При одной и той же концентрации углерода, что и у кремнистых сталей, кремний в них заменяется следующими возможными сочетаниями легирующих элементов: хром + марганец, хром + ванадий, хром + марганец + ванадий, хром + марганец + бор. Например, 50ХГ, 50ХФ, 50ХГФ, 55ХГР. Эти стали обладают повышенной вязкостью и менее чувствительны к надрезу.
ля повышения эксплуатационных характеристик, особенно для пружин, работающих при длительных знакопеременных нагрузках, назначают обдувку поверхности пружин дробью. Возникающие при этом в поверхностном слое напряжения сжатия приводят к повышению предела выносливости.
Наиболее высокие механические и эксплуатационные характеристики можно получить в процессе холодной протяжки предварительно патентированной проволоки, диаметром до 2 мм из углеродистой стали, подвергавшейся высоким степеням обжатия (70–90 %).
Процесс патентирования проводится между протяжками. Он заключается в нагреве проволоки на 50–100 °С свыше точки Ас3 с последующим охлаждением в ванне с расплавленным свинцом. Температура расплава должна составлять 450–550 °С. В результате такой термической обработки происходит изотермический распад аустенита с образованием тонкопластинчатого сорбита.
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения.
Стали поступают в виде проволоки и ленты, а также горяче- и холоднокатаного проката или катанки, из которых изготовляют пружины. Стали для пружин (ГОСТ 14959-79) должны обладать высокими сопротивлением малым пластический деформациям пределом выносливости и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости.
Для получения этих свойств стали должны содержать более и быть, подвергнуты термической обработке — закалке и отпуску или деформационному упрочнению после патентирования (см. с. 197).
В табл. 9 приведены режимы термической обработки и механические свойства некоторых рессорно-пружинных сталей.
Путем легирования можно повысить температуру отпуска (выше интервала развития необратимой отпускной хрупкости), что позволяет наряду с высоким сопротивлением малым пластическим деформациям получить хорошие пластичность и вязкость.
Стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью. После закалки мартенситная структура должна быть по всему объему. Присутствие после закалки немартенситных продуктов превращения аустенита (бейнита, ферритно-карбидной структуры, феррита), а также остаточного аустенита ухудшает все пружинные свойства. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям. Наличие обезуглероженного слоя на готовых пружинах резко снижает пределы упругости и выносливости.
Для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения, применяют углеродистые стали 65, 70, 75, 85.
Таблица 9 (см. скан) Режимы термической обработки и механические свойства пружинных сталей
Более часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали, содержащие Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.
В промышленности. наиболее часто применяют кремнистые стали Поскольку кремний повышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет феррит, кремнистые стали имеют высокие пределы текучести и упругости, что обеспечивает хорошие свойства. Кремнистые стали применяют для изготовления пружин вагонов, многих автомобильных рессор, в станкостроении, для торсионных валов и др. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поверхностных дефектов при горячей обработке и графитообразованщо, что снижает предел выносливости. Дополнительное легирование кремнистых сталей увеличивает их прокаливаемость и уменьшает склонность к обезуглероживанию, графитизации и росту зерна при нагреве.
Стали имеющие высокую прокаливаемость, хорошую прочность (см. табл. 9) и релаксационную стойкость, применяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем
Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь которая по технологическим свойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь не склонная к перегреву и обезуглероживанию. Однако эта сталь имеет малую прокаливаемость и может применяться только для пружин с сечением проволоки, равным или менее 5—6 мм. Для увеличения прокаливаемости сталь легируют марганцем который снижает ударную вязкость. Оптимальная твердость рессор для получения максимального предела выносливости при более высокой твердости предел выносливости снижается. Предел выносливости стали, а следовательно, и долговечность рессор и пружин резко снижаются при наличии на поверхности различных дефектов (забоин, рисок, царапин и т. д.), играющих роль концентраторов напряжений.
Срок службы рессор может быть повышен гидроабразивной и дробеструйной обработками (ППД), создающими в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия, понижающие рабочие напряжения растяжения в наружных волокнах. После дробеструйной обработки предел выносливости повышается в 1,5-2 раза.
Широко применяют пружины, изготовленные из патентированной холоднотянутой проволоки (см. с. 197) и холоднотянутой ленты
из высокоуглеродистых сталей Высокие механические свойства проволоки достигаются патентированием и последующей протяжкой при степени деформации не менее 70 %. Временное сопротивление проволоки после 95 %-ной деформации (диаметр проволоки 1,4 мм) достигает 2600 МПа. Пружины после холодной навивки подвергают отпуску при для снятия напряжений, повышения предела упругости и релаксационной стойкости. Более часто применяют сталь, поступающую в виде проволоки диаметром от 6,0 до 0,15 мм и имеющую Нагартованная лента имеет
Кроме рассмотренных пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяют пружинные стали и сплавы специального назначения. Кроме высоких механических свойств и сопротивления релаксации напряжений они должны обладать хорошей коррозионной стойкостью, немагнитностмо, теплостойкостью и другими особыми свойствами. К этим сталям относятся высоколегированные мартенситные (высокохромистые коррозионно-стойкие стали), мартенситно-стареющие, аустенитные (коррозионно-стойкие, немагнитные и жаропрочные) стали и др.