При каких условиях явление ползучести торсионных пружин из нержавеющей стали будет более значительным?

Ползучесть — это медленная, необратимая пластическая деформация твердого материала под постоянным напряжением с течением времени. Для торсионные пружины из нержавеющей стали Ползучесть проявляется как постепенное уменьшение восстанавливающего момента (технически известное как релаксация напряжений при постоянном отклонении) или непрерывное увеличение угла отклонения при постоянной нагрузке. Это явление напрямую влияет на долговременную точность и надежность пружины. С профессиональной точки зрения, значительное возникновение ползучести торсионных пружин из нержавеющей стали в первую очередь зависит от синергетического воздействия следующих трех комплексных факторов.

1. Влияние критической температуры

Температура является основным фактором, определяющим, будет ли происходить значительная ползучесть. Хотя ползучесть теоретически происходит при любой температуре, ее скорость существенно влияет на инженерные приложения только тогда, когда она превышает определенный порог.

Корреляция температуры плавления. Традиционная теория металлических материалов предполагает, что ползучесть обычно становится значительной примерно на 0,4 Tm​ выше абсолютной температуры плавления материала. Нержавеющие стали (например, серия 300) имеют более высокую температуру плавления, но поскольку пружинная проволока находится под сильным напряжением, фактическая температура, при которой происходит ползучесть, намного ниже.

Температура эксплуатации нержавеющей стали: Вообще говоря, рекомендуемая максимальная температура эксплуатации моментной пружины для стандартных аустенитных нержавеющих сталей (таких как SUS 304 или 302) составляет примерно от 250°C до 300°C.

Когда рабочая температура ниже 100°C, скорость ползучести чрезвычайно мала и ею можно пренебречь.

Когда рабочая температура превышает 150°C, особенно в диапазоне от 200°C до 300°C, движение дислокаций и диффузия вакансий внутри нержавеющей стали активируются тепловой энергией, ускоряя пластическую деформацию и делая заметной ползучесть.

2. Каталитический эффект высокого уровня стресса

При одинаковых температурных условиях уровень приложенного напряжения является основной движущей силой, ускоряющей ползучесть. Для торсионных пружин это напряжение относится конкретно к напряжению изгиба.

Напряжение и предел текучести: Ползучесть уникальна тем, что она возникает при уровнях напряжения, значительно ниже предела текучести материала. Однако чем ближе напряжение приближается к пределу упругости, тем выше скорость ползучести.

Конструкция пружины: если при проектировании торсионной пружины максимальное рабочее напряжение превышает критический процент предела пропорциональности материала нержавеющей стали (например, 60% или 70%), ползучесть может накапливаться в течение длительного периода, создавая значительную нестабильность размеров даже при комнатной температуре. Высокое напряжение обеспечивает энергию активации, необходимую для преодоления сопротивления решетки, ускоряя возникновение ползучести дислокаций.

Релаксация напряжения. В приложениях с постоянными отклонениями высокое напряжение напрямую приводит к ускоренной релаксации напряжения. Это расслабление в конечном итоге проявляется в потере крутящего момента, что является основной причиной того, что пружина не может выполнять свою функцию.

3. Продолжительность устойчивой нагрузки

Ползучесть – это типичная деформация, зависящая от времени. Чем дольше пружина остается под нагрузкой, тем больше совокупная деформация ползучести.

Три стадии ползучести. Процесс ползучести обычно делят на три стадии:

Первичная ползучесть: скорость деформации постепенно снижается. На этом этапе преобладает деформационное упрочнение при первом нагружении пружины.

Вторичная ползучесть: Скорость деформации остается практически постоянной. Это стадия равновесия между затвердеванием и размягчением (т. е. восстановлением), на которую приходится большая часть срока службы пружины.

Третичная ползучесть: скорость деформации резко возрастает до разрушения. В практическом применении моментных пружин этот этап обычно не допускается.

Длительная статическая нагрузка. Для применений со статической нагрузкой, требующих поддержания фиксированного угла в течение длительного периода времени, таких как клапанные пружины или определенные зажимные механизмы, время имеет решающее значение. Даже при относительно низких нагрузках и температурах совокупные нагрузки в течение многих лет или даже десятилетий могут привести к тому, что постоянная деформация пружины превысит допуски.

4. Влияние микроструктуры материала.

Микроструктура и процесс изготовления проволоки из нержавеющей стали оказывают решающее влияние на сопротивление ползучести.

Холодная закалка: Пружинная проволока из нержавеющей стали обычно подвергается высокой степени холодной волочения для достижения высокой прочности. Высокая плотность дислокаций, возникающих при холодной обработке, повышает сопротивление ползучести при комнатной температуре. Однако при повышении температуры эти дислокации могут начать восстанавливаться, снижая эффективность релаксации напряжений.

Дисперсионное упрочнение: в некоторых высокопрочных марках нержавеющей стали (например, нержавеющая сталь 17-7 PH) используется механизм дисперсионного упрочнения. Правильная термическая обработка и старение могут привести к образованию мелких выделений, эффективно закрепляющих дислокации и значительно улучшающих сопротивление ползучести при повышенных температурах.