Пружины закалка: Heat Treatment of Spring Steels

alexxlab | 23.02.2023 | 0 | Разное

Пружинная закалка

Варианты изотропной, кинематической или несвязанной пружинной закалки могут быть определены флаг закалки ЧАС .

Эти примеры включают только жесткость пружины без демпфирования.

Линейная упругая пружина, H=0

Линейную пружину можно смоделировать, введя только линейную жесткость как Ки и fct_ID _1i = fct_ID _4i =0. Для линейного весна, ЧАС всегда 0.

Рисунок 1. Линейная упругая пружина. с ЧАС =0

Нелинейная упругая пружина, H=0

Нелинейная упругая пружина моделируется путем определения кривой зависимости силы от смещения.

куда f1 на рисунке 2 определяется в fct_ID _1i . Поскольку модель эластичен, нагружение и разгрузка происходят по одному и тому же пути.

Рисунок 2. Нелинейная упругая пружина. с ЧАС =0

Нелинейная упругая пластиковая пружина с изотропным упрочнением, H=1

На рис. 3 показано поведение нелинейно-упругой пластической пружины с изотропное твердение, где f1 определяется в fct_ID _1i и выгрузка жесткость Ку вводится с помощью Ки .

Рисунок 3. Изотропное твердение. с ЧАС =1

Для демонстрации изотропного отверждения, ЧАС =1, на рис. 4 показана пружина, нагруженная на растяжение, а затем разгружается с использованием линейной жесткости разгрузки, Ку . Разгрузочная жесткость продолжает использоваться в сжимающую нагрузку до тех пор, пока сила нагрузки при сжатии не будет соответствовать максимальной сила нагрузки при растяжении. С этого момента любая дополнительная сжимающая нагрузка использует входная загрузочная функция.

Рис. 4. Циклическая нагрузка на пружину. с ЧАС =1

Нелинейная упругая пластиковая пружина с несвязанным упрочнением, H=2

Кривая зависимости силы от смещения f1 на рисунке 5 определяется в fct_ID _1i и разгрузка жесткость Ку вводится с помощью Ки . При развязке ЧАС = 2, поведение при растяжении и сжатии несвязанный. Таким образом, как только разгрузка достигает нулевой силы, жесткость отсутствует до тех пор, пока нулевое смещение, а затем сжимающая нагрузка следует за силовым смещением изгиб.

Рисунок 5. Изотропное твердение. с ЧАС =2

Нелинейная упругая пластиковая пружина с кинематической закалкой, H=4

Когда ЧАС =4, функция загрузки

fct_ID _1i и разгрузка fct_ID _3i являются обязательными и показано на рисунке 6а f1 и f3 . Кривая нагрузки должна быть положительной для всех значений абсцисс. Кривая разгрузки в этом случае должна быть отрицательной при всех значениях абсцисса. Эти кривые представляют верхний и нижний пределы усилия текучести как функцию текущего изменения длины пружины или деформации. Сила следует К между функцией f1 и f3 и вводится как Ки .

Рисунок 6. Кинематическое упрочнение. с ЧАС =4

Рисунок 7. Циклическая нагрузка на пружину. с кинематической закалкой ЧАС =4

Если минимальная и максимальная кривые доходности ( f1 и f3 ) имеют одинаковую форму, упрочнение считается быть кинематической.

Рисунок 8. ЧАС =4, с минимальной и максимальной доходностью Кривые. ( f1 и f3 ) ввод с одинаковыми формами

Нелинейная упругая пластиковая пружина с нелинейной разгрузкой, H=5

Когда ЧАС =5, несвязанное упрочнение на сжатие и растяжение с нелинейной разгрузкой.

Функция f3 определяет остаточное смещение δостаток связанные с перемещением; где начинается разгрузка в δпик . Разгрузка определяется:

(1)

F(K,f3)=α(δ−δостаток)n

с, δостаток=f3(δпик)

Где, α и н вычисляется с использованием К и f3(δпик) .

Функция загрузки f1 на рисунке 9 определяется в fct_ID _1i и остаток функция деформации f3 ввод как fct_ID _3i .

Рисунок 9. Нелинейная разгрузка. с ЧАС =5

На рис. 10 линейная кривая определена для δостаток и δпик в функции f3 . δостаток в 0,5 раза δпик . При циклической загрузке первая разгрузка начиналась в δпик1=0,05 а потом δостаток=0,5×0,05=0,025 .

Вторая разгрузка началась в δпик2=0,1 а потом δост=0,5×0,1=0,05 .

Рис. 10. Кривая зависимости линейного остатка от максимального смещения. с ЧАС =5

На рис. 11 показано, как увеличение наклона Кривая остаточного и максимального смещения изменяет поведение пружины.

Рис. 11. Различная линейная невязка в сравнении с максимальным смещением Кривые. с ЧАС =5

Сравнение рисунка 10 и рисунка 11 показывает, что функция f3 влияет только на остаточное смещение δостаток и форму кривой разгрузки. Форма кривая разгрузки контролируется жесткостью К и δпик (разгрузочное начальное смещение).

Если одинаковая жесткость К и то же самое δпик используются, то кривая разгрузки имеет такую ​​же форму.

При одинаковой жесткости К но разные δпик используются, то кривая разгрузки имеет другой форма.

Если другая жесткость К и то же самое δпик используются, то кривая разгрузки имеет другой форму, как показано на рис. 12.

Рисунок 12. Разное К Значения. с ЧАС =5

Нелинейная упругая пластическая пружина, изотропное упрочнение и нелинейная разгрузка, H=6

Оба ЧАС =1 и ЧАС =6 представляют собой изотропное твердение. В ЧАС =6, нелинейная разгрузка с функцией f3 используется в то время как ЧАС =1 использует константу Ку для линейной разгрузки. Когда пружина нагружена напряжение, а затем разгружается, он следует заданной кривой разгрузки. Разгрузка кривая продолжает использоваться при сжимающей нагрузке до тех пор, пока сила нагрузки в сжатие соответствует максимальной силе нагрузки при растяжении. С этого момента дополнительная сжимающая нагрузка использует функцию входной нагрузки. Кривая нагрузки в f1 определяется с помощью

fct_ID _1i и выгрузка кривая в f3 определяется с помощью fct_ID _3i .

Рис. 13. Изтропическое твердение и нелинейная разгрузка. с ЧАС =6

Гистерезис упругости нелинейной упругой пластиковой пружины, H=7

С ЧАС =7, разгрузка пружины изначально линейна с использованием ввод К значение, пока не достигнет кривой разгрузки f3 . Далее следует дополнительная разгрузка f3 . Если происходит перезагрузка, жесткость К используется для достижения кривой f1 , что затем следует. Кривая f3 должны иметь ординаты меньше, чем кривая f1 при определенном значении абсцисс. Кривая нагрузки в f1 определяется с помощью fct_ID _1i и выгрузка кривая в f3 определяется с помощью fct_ID _3i .

Рис. 14. Гистерезис упругости нелинейной упругой пластической пружины. с ЧАС =7

Пружина с ЧАС =7 можно использовать для описания поведения гистерезиса. Рисунок 15 показывает разницу между ЧАС =0 и ЧАС =7 при циклической нагрузке. С ЧАС =0 (синяя кривая), оно нелинейно-упругое. Но с ЧАС =7 (красная кривая), больше энергии (желтая область в первой петля) поглощается из-за петли гистерезиса.

Рисунок 15. Сравнение нелинейной упругости с гистерезисом ЧАС =7. и нелинейная упругость ЧАС =0

Нелинейная упругая функция полной длины, H=8

Пружина упругая общей длины ЧАС =8 доступен только в /ОПОР/ТИП4. В отличие от других вариантов упрочнения, использующих изменение длины пружины, эта пружина использует общую длину пружины при определении жесткость пружины. При сжатии жесткости не возникает. Вход fct_ID _1i для определения силы относительно общей длины пружины.

Рис. 16. Нелинейная упругая функция полной длины. с ЧАС =8

Рисунок 17. Сравнение ЧАС =0 . и ЧАС =8 с применением циклической нагрузки

Термическая обработка пружинных сталей

РЕКЛАМА:

В этой статье мы поговорим о термической обработке пружинных сталей.

Любой металл или сплав, который можно подвергнуть жесткой вытяжке или прокатке до достаточно высокой прочности и сохранить достаточную пластичность для формования, может использоваться для изготовления пружин, или любой сплав, который можно подвергнуть термообработке до высокой прочности и хорошей пластичности до или после формования может быть использовано. Специальные свойства пружин, такие как хорошая усталостная долговечность, немагнитные характеристики, устойчивость к коррозии, повышенным температурам и дрейфу, требуют особого внимания.

Факторами, определяющими максимальное безопасное напряжение для пружин, являются предел упругости или пропорциональный предел растяжения и пропорциональный предел кручения. Нагрузка с более высокими значениями напряжения приведет к постоянной деформации, и пружина не вернется в исходное состояние.

РЕКЛАМА:

Для любого материала допустимое рабочее напряжение будет зависеть от величины следующих факторов:

1. Рабочее напряжение, твердое напряжение и диапазон напряжений.

2. Частота отклонений или колебаний.

3. Температура, напряжение и допустимая релаксация.

РЕКЛАМА:

Следует иметь в виду, что свойства пружинных материалов при растяжении зависят от диаметра; чем меньше диаметр проволоки, тем выше прочностные свойства и наоборот. Усталость является наиболее распространенной причиной отказа пружины из-за какого-либо источника напряжения или неоднородности.

Одной физической константой, которая учитывается при расчете всех пружинных элементов, является модуль упругости, или отношение нагрузки к прогибу (таблица 12.7). Металлы сильно различаются по жесткости, модуль растяжения колеблется от 41,4 ГНм ^-2 для магния до 517,5 Гнм ^-2 для иридия.

Пружинные материалы можно разделить на три класса в зависимости от жесткости:

(i) Никель и стали (углеродистые и легированные) имеют модуль растяжения 200 ГНм ^-2 ;

РЕКЛАМА:

(ii) Бронза и другие медные сплавы имеют модуль упругости 103,5 ГНм ^-2 ;

(iii) Металлический монель, алюминиевая бронза, бериллиевая медь имеют модуль между сталью и бронзой.

Жесткость, т. е. сопротивление провисанию и деформации под нагрузкой, является очень важным свойством пружинных материалов. Прогибы нагрузки малы для пружины из высокомодульного материала и наоборот.

Крупнотоннажные стальные рессоры изготавливаются из углеродистых сталей с содержанием углерода от 0,50 до 1,2%. Они могут быть изготовлены горячекатаными, холоднокатаными или волоченными, отожженными, жесткотянутыми, закаленными или запатентованными. Выбор материала зависит от стоимости, способа изготовления, области применения.

РЕКЛАМА:

Пружинное состояние придается материалам холодной обработкой, термической обработкой или комбинацией обоих методов.

Есть две группы материалов:

(i) Предварительно отпущенный:

РЕКЛАМА:

Включает закаленные в масле проволоки и плоский прокат; жесткая проволока, в том числе музыкальная; нержавеющие стали. После изготовления пружин эти материалы обычно проходят низкотемпературную обработку для снятия напряжения.

(ii) Неотпущенный:

Сюда входят отожженные высокоуглеродистые стали и прутки из легированной стали, проволока, плоский прокат. После формовки эти пружины закаляются закалкой в ​​масле и отпускаются. Пружины из стальной проволоки находятся в предварительно отпущенном состоянии, особенно для пружин клапанов диаметром 10 мм.

Сталь

имеет самый высокий предел выносливости среди всех пружинных материалов. В частности, холодная обработка, холодное волочение еще больше улучшает ее. Термическая обработка пружинной стали обеспечивает наиболее эффективный предел упругости наряду с лучшими усталостными свойствами. Состояние поверхности должно быть прочным и гладким. Коррозия и обезуглероживание очень вредны для усталостной прочности стальных пружин. Удаление обезуглероженного слоя увеличивает пределы выносливости.

Из-за низкой прокаливаемости простых углеродистых сталей их применяют для легких пружин обычно толщиной не более 5 мм. Большой областью применения углеродистой стали являются винтовые пружины. Проволока сначала закаляется патентованием, а затем вытягивается до необходимой прочности.

Пружины из углеродистой стали с тонким сечением также можно подвергать закалке и отпуску. Жесткость пружины должна соответствовать ее размерам. В принципе, чем меньше размеры пружины, тем выше жесткость. Часовая пружина толщиной всего в несколько десятых миллиметра проходит после закалки отпуск при температуре 160-300°С.

Принимая во внимание, что листовые рессоры толщиной 1-3 мм закаляются при температуре от 300 до 400°C. Диапазон отпуска 300°С для пружин (не подвергавшихся ударным нагрузкам) показывает максимальное значение предела текучести при 300°С.

Помимо высокой прокаливаемости, легированные стали обычно имеют более высокий предел упругости и лучшую усталостную долговечность, чем углеродистые стали. Пружины из легированной стали можно использовать при температуре выше 175°C, что не подходит для простых углеродных пружин. Пружины для тяжелых условий изготавливаются методом горячей навивки из высокоуглеродистой или легированной стали.

Высокоуглеродистая закаленная пружинная проволока:

Высокоуглеродистую сталь (табл. 12.8) закаливают закалкой в ​​масле и отпуском в свинцовой ванне. Закаленная проволока используется в основном для пружин диаметром проволоки до 12,5 мм. Затем его скручивают. Это все типы винтовых пружин общего назначения, когда напряжения не слишком высоки (> 552 МНм ^-2 ). Некоторые другие высокоуглеродистые пружины изготавливаются в соответствии с таблицей 12.9.

Жесткотянутая проволока:

Имеет более низкий предел растяжения и упругости, чем закаленная проволока. Он дешевле и используется для винтовых пружин, подвергающихся постоянным нагрузкам.

Music Wire (также называемый Piano Wire):

Пружинная сталь для музыкальных струн является одной из лучших, самых прочных и наиболее широко используемых для всех типов небольших пружин, подвергающихся высоким нагрузкам, частым отклонениям и внезапным нагрузкам, но используемых при температуре ниже 120°C. Его размеры варьируются от 0,127 мм до 3,175 мм в диаметре, и он имеет очень высокую прочность на растяжение, довольно высокий предел упругости и блестящую поверхность.

Музыкальная струна

запатентована и холоднотянута по размеру. Рекомендуется для малых винтовых и торсионных пружин. Низкотемпературная термообработка (260—290°С) музыкальной проволоки после намотки снимает напряжения внутри проволоки, возникающие в результате наклепа при намотке. Эта обработка увеличивает как предел упругости проволоки в пружине, так и ее сопротивление деформации при применении.

Часы и часовая пружина Сталь:

Высокоуглеродистая сталь (0,90-1,20% углерода), холоднокатаная и термообработанная до высокой твердости перед намоткой, обеспечивает очень высокую прочность на растяжение с пределом упругости около 90% прочности на растяжение и твердости 48-52 HRC. Стальная проволока для часовых пружин используется для щеткодержателей, часовых и моторных пружин и других плоских пружин для высоких нагрузок. Часовые пружины находят применение в качестве основных пружин часов и подобных устройств.

Хромованадиевая сталь:

Эта пружинная сталь лучше всего подходит для использования в условиях высоких нагрузок, требующих высокой прочности на растяжение, высокого предела текучести и высокого предела усталости, особенно при повышенных температурах. Эта сталь сохраняет высокий процент свойств при комнатной температуре при температуре 150°C и выше. Ковка производится при температуре от 1050°C до 850°C.

Горячая штамповка пружин производится при температуре 920-830°С. Отжиг проводят при 640-680°С. Основная термическая обработка требует медленного нагрева до 830-860°С в нейтральной атмосфере с последующей закалкой в ​​масле до твердости 42-48HRC и последующим отпуском при 430-500°С.

Хром повышает прокаливаемость, предел прочности при растяжении, твердость и ударную вязкость, снижает потребность в более высоком содержании углерода, улучшает коррозионную и жаростойкость, т. е. повышает способность стали выдерживать повышенные температуры. Ванадий повышает предел прочности при растяжении, предел упругости и ударную вязкость, сохраняет мелкий размер зерна и позволяет материалу противостоять более сильным ударам, ударам и знакопеременным нагрузкам.

Хромованадиевые пружины

находят применение в наиболее высоконагруженных рессорах, таких как листовые, винтовые и торсионные рессоры, стабилизаторы дорожного транспорта, тарельчатые пружины, пружинные шайбы, пластинчатые рессоры и рессоры, используемые в общем машиностроении. Размеры могут быть до 30 мм в толщину и 40 мм в диаметре для круглых размеров.

Кремнемарганцевая сталь:

Кремнемарганцевые стали размером до 16 мм в диаметре надежны при температурах до 205°C. В целом по жаростойкости сталь превосходит хромованадиевые стали. Кремний повышает прокаливаемость, замедляет распад ɛ-карбида при отпуске и значительно упрочняет феррит. Эти стали имеют высокие предел текучести и предел упругости.

Кремний-марганцевые стали повышают их, не жертвуя пластичностью или ударной вязкостью. Поскольку эти стали склонны к обезуглероживанию, может произойти образование поверхностных дефектов во время горячей обработки и графитизация, поэтому следует соблюдать особую осторожность. Марганец повышает прокаливаемость и снижает обезуглероживание и т. д.

Сталь используется для изготовления торсионных рессор, стабилизаторов и пружинных шайб автотранспортных средств, клапанных пружин и пружин, подвергающихся высоким ударным нагрузкам, листовых и винтовых рессор, рессор железнодорожных вагонов, многих листовых рессор автомобилей, торсионных валов. Обычно сталь может использоваться толщиной до 25 мм для плоских изделий и диаметром до 35 мм для круглых изделий.

Ковка стали начинается при 1050°C и заканчивается при 850°. Горячее формование для получения упругой формы выполняется при 900-820°C, а затем подкритический отжиг при 640-700°C для получения твердости 225 BHN. Нормализация проводится при температуре от 850 до 880°С. Закалка в масле производится при температуре от 830 до 860°C, а затем отпуск при температуре от 400 до 550°C в зависимости от требуемых механических свойств.

В таблице 12.15 приведены некоторые другие составы некоторых других кремнистых сталей, используемых для пружин.

Пружины из нержавеющей стали:

Нержавеющие стали приобрели важное значение для пружин, работающих при высоких температурах и в коррозионных условиях, из-за их более высокой термостойкости, потери прочности и окисления поверхности.

Наиболее часто используемые нержавеющие стали:

(i) С < 0,10%; Cr = 12%- Используется в нагартованном состоянии, устойчив к коррозии и не требует дополнительной обработки поверхности. Это нержавеющая сталь незакаливаемого типа.

(ii) Закаливаемая сталь для столовых приборов. Сталь формуется в виде пружин в отожженном состоянии, затем закаливается при 1000-1010°C и отпускается при 315°C. Он становится хрупким при отпуске от 315° до 480°C.

В основном это нержавеющая сталь в закаленном состоянии. Стальные пружины должны быть отшлифованы или подвергнуты пескоструйной очистке для удаления окалины, что является сложной операцией, особенно на пружинах из спиральной проволоки.

(iii) C = макс. 0,12%, Cr = 13%; Ni = 2% используется для пружин, которые должны быть устойчивы к коррозии. Его холоднокатаная или тянутая форма имеет прочность на растяжение до 1,52 ГНм ^-2 . Он используется для жестких, упругих плоских пружин, но также может быть получен в виде проволоки.

(iv) С = <0,10; Кр = 18%; Ni – 8%, так как не упрочняется термической обработкой, упрочняется холодным волочением в проволоку. Он имеет лучшее сопротивление, чем другие марки, но имеет гораздо более низкий предел упругости, предел пропорциональности и предел выносливости при более низкой твердости, что является недостатком для пружин, но главное преимущество этого сплава, помимо устойчивости к коррозии и ржавчине, заключается в том, что он сохраняет предел упругости при высоких температурах.