Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) широко применяются в приборостроении, авиационно-космической отрасли, машиностроении. Также, достаточно часто из таких сплавов изготавливают мерительный инструмент со штриховыми мерами. Главное требование, которое предъявляется к деталям из таких сплавов это размерная стабильность в определенном интервале температур.

Коэффициент линейного расширения это такой зверь физическая величина 𝛼 в 10^-6 степени, которая измеряется величиной обратной температуре 1/°С (1/°К). Он характеризует относительное изменение линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 градус.

Наверное самым известным представителем сплавов с заданным ТКЛР является сплав 36Н — инвар. Это аустенитный сплав, состоящий из 0.05% C, 36% Ni, Fe — ост. Его применяют при изготовлении деталей автомобилей и бытовых приборов. Этот сплав имеет коэффициент линейного расширения 𝛼 = 1,5*10^-6 1/°С. Для улучшения свойств сплава в химсостав дополнительно вводят медь и кобальт. Это будет уже сплав суперинвар — 32НДК. Сплав 32НДК состоит из ~0.05C, 32% Ni, ~3.5% Co, ~0.7% Cu. Суперинвар имеет коэффициент линейного расширения 𝛼, не более 1*10^-6 1/°С

Также, в приборостроении широко применяется другой сплав с заданным температурным коэффициентом линейного расширения — ковар или сплав 29НК. Он состоит из 29%Ni, 18%Co, Fe- ост. Ковар широко применяется в оптическом производстве, в изделиях из молибденового стекла, при производстве люминесцентных ламп.

При нагреве, на поверхности ковара образуется окисная пленка, которая при взаимодействии со стеклом способствует образованию достаточно плотного контакта. Ковар применяется при производстве радиоаппаратуры со стеклами, в микроэлектронике, при производстве деталей космических спутников и аппаратов. Ковар имеет ТКЛР 𝛼 = (4,6 — 5,5)*10^-6 1/°С.

В качестве более дешевого аналога ковара, применяются сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ (0.35%Mo, 0.35V, 18%Cr, 0.6%Ti). Эти сплавы применяются при изготовлении изделий из стекла, например телевизионных кинескопов, когда от сплава требуется коэффициент линейного расширения 𝛼 ≤ 8,7*10^-6 1/°С

Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости

Сплавы системы Fe – Ni помимо низких значений температурного коэффициента линейного расширения при некоторых концентрациях никеля обладают еще одним замечательным свойством – малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости. Во всех твердых телах, в том числе и металлах, модуль упругости при нагреве уменьшается в связи с уменьшением энергии межатомных связей. В некоторых сплавах системы Fe – Ni, называемых элинварными, наблюдается аномалия в изменении модуля упругости при нагреве, который либо растет, либо изменяется очень незначительно.

Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов, электромеханических фильтров и пр.). постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора в условиях эксплуатации.

Природа аномальности изменения модуля упругости при нагреве, так же как и природа инварности, ферромагнитного происхождения. Внешние растягивающие напряжения действуют на ферромагнетик подобно магнитному полю, ориентируя магнитные векторы доменов и вызывая магнитострикцию (линейную и объемную) которую в этом случае называют механострикцией. В результате общая деформация ферромагнетика при воздействии на него внешних напряжений σ будет складываться из упругомеханической δ₀ и механострикционной δ m составляющих.

Модуль нормальной упругости для ферромагнетика определяется по формуле:

Е = σ /(δ₀ + δ m),

т.е. значения модуля упругости занижены вследствие дополнительной деформации ферромагнитной природы.

На рис. 10.12 показана диаграмма упругой деформации ферромагнетика. Если до приложения нагрузки наложить очень большое внешнее магнитное поле, которое исчерпает магнитострикционную деформацию, то модуль упругости ферромагнетика будет определяться только упругомеханической деформацией и значения его будут большими:

Е₀ = σ/δ₀.

Таким образом, во всех ферромагнитных материалах модуль нормальной упругости несколько занижен из-за наличия деформации ферромагнитной природы:

Е₀ = Е₀ – ΔЕ₀ .

В элинварных сплавах в отличие от остальных ферромагнетиков, вследствие большой объемной механострикции парапроцесса ΔЕ -эффект приобретает большое значение и вызывает аномальное изменение модуля упругости при нагреве.

Возможный характер зависимости модуля упругости Е ферромагнитного материала от температуры нагрева показан на рис. 10.13. уменьшение Е₀ при нагреве обусловлено ослаблением сил межатомного взаимодействия. Снижение Е с повышением температуры, вызванное уменьшением намагниченности ферромагнетика, приводит не к снижению, а, наоборот, к росту модуля нормальной упругости Е. Из этой же схемы следует, что модуль упругости ферромагнетика может также сохраняться постоянным до температуры точки Кюри.

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для краткости термоупругим коэффициентом γ, определяет характер изменения модуля упругости при нагреве. В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растет, а также знак минус, когда модуль упругости, как у неферромагнитных материалов, снижается:

Е _t = Е₂₀ (1 + γt),

где Е₂₀ – модуль нормальной упругости при 20 .

В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положительное значение и может быть равным нулю. Для сплавов системы Fe – Ni значения термоупругого коэффициента определяются концентрацией никеля (рис 10.14).

В сплавах, содержащих от 29 до 45% Ni, коэффициент γ имеет положительное значение, что свидетельствует о наличии большой аномалии в изменении модуля нормальной упругости при нагреве.

Сплавы содержащие 29 и 45% Ni (остальное Fe), имеют нулевые значения коэффициента γ. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко изменяют значения γ. Поэтому сплавы системы Fe – Ni дополнительно легтруют хромом, который делает эту зависимость менее резкой и позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение γ, близкое к нулю.

Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36% Ni и 12% Cr), названный элинваром. К сожалению, этот сплав имеет недостатки. Во-первых, у него низкие значения механических характеристик, которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, у него невысокая температура точки Кюри ( 100 ), что ограничивает рабочий интервал температур.

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (36НХТЮ), что позволило упрочнять его термической обработкой, но еще больше снизило температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав потерял свою ферромагнитность, а следовательно, и элинварность. Его используют как сплав с хорошими упругими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуется немагнитность и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Дальнейшее распространение элинвары получили в виде сплавов железа с 5 – 6% Cr и 42 – 44 %Ni. Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю (см. рис. 10.14). Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяет температурную область их применения. Для получения хороших механических свойств эти сплавы дополнительно легируют титаном и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой (табл. 10.6). Содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным.

Приведенные сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами и, что особенно важно, малым внутренним трением.

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ для получения минимальных значений γ и внутреннего трения подвергают термической обработке: закалке от 950 , при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску – старению при 700 в течение 4 ч. В процессе старения в мелкодисперсном виде выделяется промежуточная метастабильная γ' -фаза.

Правильно проведенная обработка указанных сплавов позволяет получать значения коэффициента γ в пределах 1,5 10^{-5 -1} в интервале температур 20 - 100 . Основной недостаток данных сплавов – нестабильность значения коэффициента γ при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Какое главное требование предъявляется к сплавам с заданным температурным коэффициентом линейного расширения?

2. Где данные сплавы применяются?

3. Какие сплавы называются элинварными?

4. Где элинварные сплавы применяются в промышленности?

5. Как зависит термоупругий коэффициент от процентного содержания никеля?