Аспекты стабильности металлических сплавов при создании точных приборов и изделий

0,00

Загрузка...

При создании приборов и машин высокой точности, малых весов и габаритов необходимы конструкционные материалы с определенным комплексом физико-механических свойств. Высокая размерная стабильность материалов должна быть в сочетании с минимальным удельным весом, высокими модулями упругости, относительно низким и стабильным коэффициентом линейного расширения и большой теплопроводностью.

Важность низкого удельного веса материала и высоких значений его модулей упругости при создании малогабаритных, легких и жестких конструкций очевидна.

Большая теплопроводность материала необходима для обеспечения минимальных внутренних напряжений от температурных градиентов в изделии при изменении окружающей температуры.

Точность изделий, работающих при переменных температурах, в значительной степени определяется значениями коэффициентов линейного расширения (КЛР) материала деталей. Для высокоточных изделий желательно применять материалы с относительно низкими и стабильными (строго регламентированными) значениями КЛР. Материалы сопрягаемых деталей должны иметь практически одинаковые КЛР.

Как показано выше, основной характеристикой размерной стабильности является величина условного предела релаксации о_г. В качестве дополнительной характеристики размерной стабильности целесообразно использовать предел упругости как структурно-чувствительную характеристику.

Были сравнены показатели сопротивления микропластическим деформациям при кратковременном и длительном нагружениях, характеризующие сравнительную размерную стабильность распространенных в приборостроении и точном машиностроении сталей, алюминиевых, магниевых, титановых и медных сплавов, а также их механические свойства.

Для высокоточных конструкций, где первостепенное значение имеют задачи повышения точности и надежности изделий при минимальных весах и размерах, сравнительную оценку физико-механических свойств конструкционных материалов целесообразно проводить по отношению характеризующего размерную стабильность показателя сопротивления микропластическим деформациям о_г и модуля упругости Е к плотности у. Очевидно, что металлы и сплавы с высокими значениями и наиболее приемлемы для конструкций высокой точности, малых весов и размеров. Одновременно для таких конструкций целесообразны материалы с минимальным отношением коэффициента термического расширения а к теплопроводности X. Чем меньше величина тем меньшими

являются температурные деформации и напряжения, возникающие в изделиях под воздействием колебаний температуры в условиях эксплуатации и хранения.

По значениям удельного модуля упругости стали, алюминиевые, титановые и магниевые сплавы почти равноценны: значения 10^-9 для каждого из этих сплавов равны соответственно 2,56; 2,63; 2,44 и 2,26 мм. В этом ряду резко выделяется бериллий, для которого величина — составляет 16,5, т. е. примерно в 7 раз выше по сравнению с перечисленными конструкционными металлами и сплавами.

При анализе приведенных данных обращает на себя внимание исключительно благоприятное сочетание свойств конструкционного бериллия. При низкой плотности (у = 1,85 г/см³) бериллий обладает наиболее высоким среди конструкционных сплавов модулем упругости (Е = 30000 кгс/мм², G = 13500-17000 кгс/мм²), высокой теплопроводностью (А, = 0,35 кал/см^.с^.°С) и относительно низким коэффициентом термического расширения, близким к конструкционным и подшипниковым сталям (а 12,5^.10^-6 1/°С). Последнее является весьма важным в прецизионном приборостроении, так как облегчает выполнение сопряженных узлов из бериллия и стали. Бериллий имеет коэффициент Пуассона в 10 раз меньший, чем у других конструкционных материалов (м = 0,01 —0,04). Бериллий по удельной прочности превышает высокопрочные конструкционные стали. Вследствие высокого комплекса физико-механических свойств бериллий и его сплавы в США получили широкое применение в системах управления в ракетной и авиационной технике.

Относительно благоприятное сочетание свойств имеют высокопрочные конструкционные стали мартенситного класса типа 40ХН2СВА и 3ОХГСА, используемые для нагруженных высокоточных деталей. Широкое распространение получили нержавеющие хромистые стали мартенситного класса 20X13, 30X13, 40X13, а также литейная сталь 0Х16Н4ДЗЛ. Кроме того, часто используется низколегированная сталь 09Г2С

Среднеуглеродистые стали 35, 45, 35Л после оптимальной термической обработки (закалки и высокого отпуска) имеют удовлетворительные характеристики размерной стабильности при сравнительно небольшой величине отношения Поэтому углеродистые конструкционные стали получили широкое распространение для средненагруженных деталей высокоточных машин и приборов.

Несмотря на высокую размерную стабильность и механические свойства, применение для высокоточных конструкций дисперсионно-твердеющих сталей типа 36НХТЮ, 0Х20Н4АГ10 и др. ограничивается их низкой теплопроводностью и различием в величине коэффициента линейного расширения с конструкционной и подшипниковой сталью.

В тех случаях, когда температурными деформациями и напряжениями можно пренебречь, могут эффективно использоваться упрочняемые титановые сплавы ВТ5, ВТ6, ВТ8 и ВТ22. Последний по характеристикам размерной стабильности не уступает конструкционной легированной стали (o_r = 50-60 кгс/мм²).

Среди легких сплавов оптимальным сочетанием характеристик размерной стабильности и механических свойств обладают сплавы на основе системы алюминий — медь (Д16, ВАД1, АЛ321 и т. п.) и магний — ниодим (МЛ 10, МАП). Сплавы системы Al-Mg, Al-Zn, А1-Si; Mg-Al, Mg-Zn характеризуются неудовлетворительной размерной стабильностью.

Медные сплавы для высокоточных конструкций целесообразно употреблять в состоянии термомеханического упрочнения. Низкой размерной стабильностью обладают латуни.

Таким образом, при назначении металлов и сплавов для высокоточных конструкций в каждом отдельном случае необходимо учитывать весь комплекс физико-механических свойств сплавов.

Прочностные свойства (пределы прочности и текучести) не могут являться определяющими критериями при назначении материалов для высокоточных конструкций с высокими требованиями к постоянству размеров во времени. Только для отдельных нагруженных деталей следует учитывать характеристики прочности и макротекучести наряду с показателями сопротивления микропластическим деформациям.