第四章弹性合金
§概述
弹性合金是金属功能材料中的一个重要部份，广泛应用于机模样，仪器，仪表和通讯技术等领域中的各种弹性元件，如弹簧，膜片，波纹管、音叉和根子等。因用途的广泛和应用条件的多样化，除弹性性能外，对弹性合金还提出了如耐蚀性，导电性，磁性和热弹性综合要求。弹性合金的品咱日益增加，可涉及的材料领土地逐步扩大到超变强度钢、不锈钢，耐热合金等类材料，从而形成弹性合金与其它材料互相渗透，互相交错的局面。 按性能特点，弹性合金可分为高弹性合金与恒弹性合金两大类，这两类合金均具有优良的弹性性能，其中恒弹性合金远具有弹性模量或固有共振频率在一定温度范围（如-60℃~+100℃）内几乎不随温度而变化的特点，即恒弹性特性。 弹性是由于原子与力的作用下偏离其平衡位置，而当作用力消失后重新回到原来平衡位置的可逆热力学过程可造成的，在宏观上则表现为受载时变形，而卸载后参恢复到原来的形状与尺寸的性质，这种变形称为弹性变形。
在实际金属中，伴随弹性变形还会出现各种不可逆的热力学过程，如原子、位错的迁移，与磁性和相变有关的效应等等，使物体的弹性行为偏离理想弹性体，例如在静态应力作用下出现弹性后效，弹性滞后，应力松弛；在动态应力作用下出现内耗等非弹性行为。非弹性行为的强解程度，除了与外力的大小，环境因素（如磁场、电场）有关外，还取决于材料本身的特点。
描述静，动态应力作用下材料的弹性与非弹性行为的主要特征参数示于表4。1。 表4。1中一些主要特征参数的物理意义如下：
弹性极浪：卸载后不出现残余塑性变形的最大应力，由于微小残余塑性变形难以精确。 表4。1静、动态应力作用下的弹性与非弹性行为及其表征参数 静 态 应 力 作 用 弹性行为 应力—应变关系：（虎面定律） 拉伸变形：??E? G?非弹性行为 （时间效应） 弹性后效 正弹性后效：Ht???t/(?o???t) 反弹性后效：Ht'???t'/(?o'???t') 模量亏损：A=（Eu-E）/E 应力松弛：(?o??t)/?。 弹性滞后： 相对滞后系数：r?B/?max （能量效应） E 2(1??)剪切变形：t=Gr， K?E 3(1?2?)体积变形：??k?v/v ???L/?b 应力——应变关系曲线的特征参量： 弹性极限?e（条件弹性极限） 比例极限?p 动态应力作用 共振频率fo弹性模量关系 纵振或横振 fo=f(E形状，尺寸) 扭振 fo=f(G，形状，尺寸) 1?w?内耗：2?w ?(f2?f1)/f0G?1?品质因数：Q=λ/Q-1， ???Q?1 1
对数衰减：???nAo/A1 测量，工程X常用对应于给定残余塑性应变值（如5×10-3%）的应力，代表?e，称之为条件弹性极限，?0.005表示，另外，因许多弹性元件在弯曲应力状态下工作，适用弯曲弹性极限?be相当于弯曲出现0.00335%残余应变可对应的应力。
循环应力作用下，不同最大应力可产生的应力——应变关系如图4。1可示，做为补充，还提出了此时的弹性极限?e和滞弹性极限?A的概念。其中，?e为不出现弹性滞后的最大应力，见图4。1中曲线b，?A为不出现残余变形的最大应力，见图4。1中曲线C。
图4。1 循环应力作用下的应力-应变关系
静态应力作用下，材料的非弹性行为表现为非弹性行为的时间效应，其特征参数的意义如下： 弹性后效，指瞬间加、卸载后的一段时间内（备4。2中的th和td），应变才达到稳定值，如图4。2所示。加载后的弹性后效称为正弹性后效Ht，卸载后的为反弹性后效Ht。
图4。2：应力——应变时间关系曲线
弹性滞后，循环应力作用下可出现弹性后效，表现为应力——应变关系曲线为一滞后环，如图4。2可示，以相对滞后系数r 表示。
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图4。3：循环应力作用下的应力——应变关系模量亏损，设备4。2中OA为瞬时加载时的应力——应变关系，则为绝热弹性模量Eu。由于弹性后效的存在，实际弹性模量E为tg＜BOC。以A=（Eu-E）/E表示模量亏损。
应力松弛，若瞬间加载后应变保持恒定，因模量亏损的存在，一定时间后为保持该恒定应变可需之应力则会降低，称为应力松弛，在高温下工作的弹性元件，应力松弛将更为实出。应力松弛用应力松弛率(?o??t)/?t表法，其中?o为初始应力值，?t为时间t后的应力值。 动态应力作用下，材料的非弹性行为 非弹性的能量应表现出来，这是由于在动态应力作用下出现振动时，每振动一周均要消耗一定的能量可致，具体参数的意义如下：
内耗Q-1：Q-1=△w/2πw。其中W为弹性体的总振动能；△w为每振动一周消耗在弹性体中的能量。
可以得出，在谐振曲线（见备4。4）上的几个持征频率，可求出，Q-1，Q-1=（f2-f1）/f0。 自由振动时，相 振动周 振幅Ao和A1比值的自钳子在对数?nAo/A1，称为对数衰减?，可此证明：Q?1??/?。
备4。4谐振曲线示意图
通常，用内耗的倒数即品质在数Q表示动态应力作和下非弹性行为。
对弹性合金的性能要求，取决于合金的具体用途，表4。2对弹性合金应具有的性能做了归纳，应当指出，并非任何一种弹性合金均需具有表4。2中可示的性能，而应结合具体要求和使用条件，突出重点，有可取拾，以最经济的选材和生产工艺，获得可需的使用功能。 如前所述，弹性合金涉及的领域很宽，故对弹性合金进行分类的方法也有很多，本文将按合金的性能特点，成份和物理合金的特点进行分类，各种合金的类别，典型牌号和主要特点示于表4。3。
表4。2对弹性合金的性能要求
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性能 弹性性能 非弹性性能 恒弹性性能 机机力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 其它 高弹性合金 恒弹性合金 静态应用 动态应用 高Q值（滤波面振子首叉低Q值，（耦合丝） βe.βg→0 高E值高G值，（提高刚度，使元件小型化??） 低E值低G值（储能元件??） 高?e值高?p值高条件弹性极限 弹性后效小：低t值低Ht’值 模量亏损小：低A值 应力松弛小：低(?o??t)/?o 值 弹性滞后小：低r值 g·e→0 冲击数性变：a值高 缺口敏度性低 疲劳强度高 高温机械性能好（高温弹性元件）：持久强度高，蠕变低 磁性：高μ低Bs低Br低Hc（磁弹元件）非铁磁性（要求性能的磁场稳定性好的场合） 导电生：?小（继电面簧片） 优良的耐蚀性： 良好的热：冷加工性，火干接性，机中工性 性能的一致性，再现性好。 表4。3弹性合金的分类 弹性合金 典型牌子 主要特点 类别 （马氐体时效Ni18Co5Mo3Ti 固溶状态下塑性高，成形性好，冷变形时效或时效时，在低钢） Ni18Co8MoSTi 碳马氐体中析出金属间化合物，强度高，勒性好，可制成形 状比较复杂的，重要的弹性元件。 1Cr18Ni9Ti, 2、不锈弹簧钢： 1Cr17Ni7,ooCr17NI1借冷变形的加工硬化和/或形变诱发马氐体强化，可制成形变形强化奥氏3Mo2 状不太复杂的弹性元件，如膜盒，弹簧管等。 体不锈钢 合金炭含量不低于0.2%，借淬火获得马氐体强化，塑必较 2Cr13,3Cr13,4Cr13 低，只能由于制造形状比较简单的弹性元件，如簧片等。 相变强化马氐 合金含炭量比较低，固溶处理后为低炭马氐体，可进行冷成体不锈钢 17-4PH,Stainless W 形，时效后析出金属间化合物，可制造形状不态复杂的弹性 元件，强度等。 沉淀强化马氐 含炭量较低，固溶后为不稳定奥氐体，塑性高，冷成形性好，本不锈钢 17-7PH, 可借冷变形和调态奥氏体或涤冷处理获得低炭马氐本加强 AM350,AM355 进效于马氐体中析出金属间化合物强化，兼备耐蚀，高强， 加工之优点。 沉淀强化奥氐 炭含量极低（≤0003%）铭含量一般≥1.2%兼备不锈，高强体一马氐体不AM362,AM367,Custo吭勒性，而加工的特点，有取低其它几类不锈弹簧钢的趋势，锈钢 m455 可制造形状复杂，要求高的弹性元件。 沉淀强化马氐体是效不锈钢
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续表4。3 弹性合金 类别 非铁磁性耐蚀弹性合金； Fe-Ni-Cr系变形强化合金 强化合金 Fe-Ni-Cr系沉淀强化合金 镍基变形强化合金 镍基沉淀强化合金 钴基高比例极限高弹性极限合金 典型牌号 OoCr26Ni35Mo3Cu△TioCr20Ni30Mo3Cu3Nb 3J1(Ni36CrTiAc) 3J2 3J3 ooCr17Ni40MoSCu3TiACNbB ooCr16Ni75Mo2Ti; oNi65Mo28Fe5V NiCu28-2.5-1.5 NiCr47Mo3,40CrNiAc OCr20Ni65Ti3ACNb Co40NiCrMow Co40TiAc 主要特点 均为奥氐体组织，高耐性，非铁磁性 借冷变形强化，高耐蚀，可用于制造负荷不高的弹性元件。 耐蚀性较好，250℃以下具有变的弹性极限加铜的3J2，3J3的使用分别适350℃和450℃，广泛用于制造各种要求严格的弹性之件。 高耐蚀，400℃以下具有很多的抗松弛稳定性，可用于制造负荷的弹性敏志元件。 高耐蚀，借助冷变形弹化，可用于制造负荷不高的弹性元件。 高耐蚀，借冷变形强化，适用于制造200℃以下工作的耐蚀弹性元件。 高耐蚀，借冷变形强化，适用于制造200℃以下工作的耐蚀弹性元件。 高耐蚀，沉淀强化，可制造变负荷的形状复杂的弹性敏 元件。 缩合力学性能很多，弹性性能优良，滞后小，固落后需经强冷变形和回火后才可获得制造，耐蚀必变，硬度高，广泛用于制造小截石的弹性元件，如发条，张丝悬丝、轴夹等。 主要特点 为现有的高温合金，可用于制造工作温芳高于500℃之弹性元件，如簧片，阀门弹簧等。 即镍基变形高温合金 即钴荃变形高温合金其工作温可达820℃ 工作温度可达800℃，特殊性点是弹性模量低兼具恒弹药性特点。 用于制造导电弹簧，接触弹簧等。 良好的导电性，冷加工性，低弹性模量和优良的弹性性能，使用温度上限为100℃~150℃。 5铜基弹性合金铜比，电阻温度系数低，电阻稍高，使用温度较高，可用于制造重要的导电弹性元件。 400~450℃具有高的抗松弛稳定，可制造耐高温导电弹性元件 续表4。3 弹性合金 类别 4、高温高弹性 合金 铁荃高温度弹性 合金 镍荃高温高弹性 合金 钴基高温高弹性 合金 铌荃高温高弹性 5、具有综合物理性的高弹性 合金： 高导电弹性合金 铜基弹性合金 Ni-Be合金 Co-Nit系弹性合金 典型牌号 OCr15Ni15Ti2MovB(A286) OCr13Ni42Wti3B(Lncologqol) NiCr15Fe7NbTi2Al NiCr19Co6WloTi3AeB NiCr15NbqMo3W2Ae(2n578) Co42Ni20Cr20Nb4w4(S816) CO52Ni20Cr20(Mar-Mq18) NbTi40Ae5(556+10) NbTi10V2 铍青铜，钛青铜 Cu-Ni-Ac系合金 Cu-Ni-Sn系合金 NiBe2(3J31) NiBe2W6Co3 67Co28Ni5Nb 5