与固溶状态相比,此时的e值将有可提高,借助时效控制Ni3(Ti Ae)r’——相对析出量,调态基体中的镍含量则可用时达到恒弹与强化的目的。这是此类恒弹性合金的显著特点。 铬:降低e值及其对镍含理的敏志性,起到溶强化作用,以及提高耐蚀性。此外,铬远能提高合金的电阻率,有利于增加合金的Q值。
钛和铝,是形成Ni3(Ti Ae)型r’——相的元素起强化和调节e 值的作用。 3J53合金的热处理,冷变形和组织。
钢锭热加工后和冷轧,冷拔变形率达60%时,均应进行固溶处理。
固溶处理工艺为950℃-1100℃,快冷,冷加工以前的快冷,应以水冷方式进行,冷加工过程中的固溶处理实为软化处理,需在保护气氛下加热和冷却。
在保证r’——相充分溶解的前提下,通常采用较低的固溶温芳以减弱晶粒长大倾向,此外,处理的冷却速度要快,冷却的一致性要好,以便保证性能的一致性。
冷变形涂了使材料具有可需的形状以外,还产生大量点阵缺点。为Ni3(Ti Ae)的析出提供大量优先形核的处可,促使其弥散分布,对提高弹性极限和减小非弹性模量——温度关系的线性度,有利于获得优异的恒弹性性能,因此以丝材形或供货的恒弹性合金往往在生产品中采用尽可能大的冷拔变形量,然而过大的冷轧变形量可产生的织构,不利于带材的涤冲性能,故冷轧变形量通常限制在60%内。
时效处理的目的,如前可述,是强化与获得恒弹性。
时效温度通常在500℃-700℃之间,r’——相析出的峰值温度于550℃-650℃之间,时效除了提高强度,使e或g趋近于零值之外,还会导致其它物理性能,如居里点,矫顽力,磁导率的显著变化。
应当注意的是,这类合金的?e与?b并不一定在同一时效温度下达到各自的最高值,?e最高值对应的时效温度往往比?b低30-50℃,而且,e或g接近于零值的时效温芳也不总与?b最高值的时效温度一致,为同时获得高?b与恒弹性特性,需仔细控制合金的成份和热机械处理工艺,这是恒弹性合金的另一个特点。
老化处理:无论是静态还是动态应用的恒弹性合金,时效以后均应在进行老化处理,其目的是使制品的使用性能有高的时间稳定性和非小的弹性行炒,这对动态应用的制品尤其重要。现已证实,机械泸波四振子的共振频率在不经过化处理的研究尚不十分深入,有的研究认为在居里温度以下保温及缓慢冷却进行的老化处理。可以降低低畴壁的而动性,固而是借助抑制和稳定△EA效应使性能稳定化的。 3、Co—Fe系恒弹性合金
Co—Fe系恒弹性合金起源于日本并主要在该国获得应用。
在Co—Fe二元合金中分别加入一定数量的Cr、Mo、W、V、Mn,均可在一定成份范围内得到e或g趋近于零值的恒弹性特性,从面形成相应的Co-Elinvar、Mo-Elinvan、W-Elinar、V-Elinvav和Mn-Elinvar等恒弹性合金,在上述基础上进行多元素的复合合金化,即开发含Cr、Mo、W和Ni的Co—Fe基恒弹性合金Elcolloy.
Elcolloy.合金是性能最好的Co-Fe系恒弹性合金,其特点是强度高,?3高达1304.7MPa,有可能取代Co-Elinvar,获得更加广泛的应用。
Co—Fe系恒弹性合金的另一特点是,每一牌号的合金均有几组具有恒弹性特性,各种合金的性能见表。
Co—Fe系恒弹性合金化的另一个发展趋势是降低其中钴含量并加入铌,钛,铝,硼等况冷强化元素,派生出新的Co—Fe系恒弹性合金。由于沉淀强化,该类合金经热机械处理后具有相当高的温度,可显著减小非弹性行为,故主要用于制造弹簧静态应用的弹性元件。 表Co—Fe系恒弹性合金的成份与性能
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成分% Co Fe Cr Mo W V Mn Ni 热膨胀a(10-50℃)×10-6/℃ G(20℃) G20-25℃GN/m2(MPa) ×10-5/℃ 60 30.0 10.0 Co埃林瓦系 43.5 34.6 12.7 27.7 39.2 10.0 Mo埃50.0 32.5 林瓦系 10.0 45.0 W埃林瓦系 V埃林瓦系 50.0 28.5 39.0 32.0 60.0 30.0 20.0 40.0 9.1 5.1 23.1 7.4 8.1 30.0 9.6 9.8 10.0 7.4 7.8 30 8.1 11.6 69(70400) 69.4(70800) 64.8(66100) 73.5(75000) 78.5(80000) 64.5(65800) 81.3(82900) 65.2(66500) 70(70800) 79.4(81000) 54.5(55600) -0.2 0 -0.3 -0.2 -0.4 -0.7 +0.4 0 -0.7 -11.3 -4.3 +0.5 -0.2 17.5 15.0 4.0 21.5 19.0 4.0 5.0 10.0 10.0 Mn埃55.0 37.5 林瓦系 35.0 30.0 Elcoloy系 35.0 33.0 5.0 40.0 35.0 5.0 7.5 20.0 9.8 10.5 11.5 16.0 9.0 15.0 5.0 Co—Fe系恒弹性合金的成份和性能见表
4、许多仪四仪表中的恒弹性元件需用磁性恒弹性合金,其目的是避免铁磁性弹性元件与磁场间的交互作用,例如,防止地磁场的变化对元件共振频率,弹性模量及恒弹性特性的影响,或者防止弹性元件本身对仪表内工作磁场的干扰,这些需要促进了地非铁磁性恒弹性合金的研究与开发。
表Co-Fe系恒弹性合金 合 化学成分% 金 Co Cr Ni 号 性能 Nb Fe E GN/m3(MPa) E(×10-5/ ℃0-40℃) HV 应用特性 ?s MN/m2(MPa) ?b 用途 特性指标 1 2 3 33.2 8.5 32.7 5.0 31 8.8 3.4 余 184.7(188300) -0.50 3.4 余 306 1216(1240) 1324(1350) 游丝 时计温度系数+0.1s/℃/d βf+0.1 ×10-5/℃ 屈服点** 3.5kg 16.0 3.4 余 185.4(189000) -1.00 340 1314((1340) 1422(1450) 10.2 16 4 35.0 10.0 16 3.4 余 音片谐振器 螺旋弹簧 5 32.2 9.3 16 3.4 余 *84%冷加工后715,2.5h加热,以100℃/h的速度冷却的调质状态的性能。 **螺旋弹簧φ17.8mm,14卷密着。同类型弹簧Co埃林瓦合金屈服点为2.0kg。 非铁磁性恒弹性合金可以分以以几类: 反铁磁——顺磁转变型,这类合金利用反铁磁——顺磁性转变时出现的弹性反常,借助合金
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化等手段使转变温度——尼变温度TN接近室温而获得恒弹性。 但是,由于反铁磁——顺磁性转变仅出现在一个比较狭小的温度区间,相应的恒弹性温度范围比Invar反常型的铁磁性恒弹性合金小得多。
锰、铬和r相Fe-Mn合金在室温下均呈反铁磁性。在此基础上发展了Fe-Mn系,锰基和铬基非铁磁性恒弹性合金,其代表性合金的成份与性能见表。 表:Fe-Mn系恒弹合金的成份与性能
化学成分 Mn 27-31 30 Co - 14 Ni - 3 Cr - 4 性能 V 0.8-2.4 2 W 0.1-1.0 C 0.2-0.8 1 Fe 余 余 ?b MN/m(kgf/mm) 128-1255(115-128) 1569(160) 22?s 981-1177 (100-120) e或βf×10-6/℃ (-10-40℃) 30 6 性能 a βG 表铬基恒弹性合金的成份与性能 成分,% 合金 Fe 4.2 Mn 0.6 E GN/m2(MPa) 79Mn-21Ni 43Mn-57Cu 44Mn-55Cu-1Cr 49Mn-41C-10Fe 98.1(100000) Cr 余 波速m/s GGN/m2(MPa ) 10-40℃×10-6/℃ 107.9(110000) βE 0-40℃×10-5/℃ -2.5 G 0.1 吸收系数纵振 扭振 dB/cm1.95MH2 0.04 HV a ×10-6/℃ 235 - 131 23.6 145 22.1 125 22.4 250 22.4 149 23.0 250 21.6 380 20.3 255 12.2 120 24.47 Cr-Fe-Mn 合金种类 -0.1 3840 3820 βG 表锰基恒弹性合金的成份与性能 GN/m2(MPa) 0-40℃×10-5/℃ 36(36700) 42.1(43000) 50.3(41300) 45.5(46400) 55.3(56400) 60.8(62000) 52(53100) 50(51000) _ _ -2.7 -0.9 +0.08 +0.29 -0.20 +1.88 +0.83 +1.10 - - 111.8(114000) +0.3 132.4(135000) +0.11 135.3(138000) -0.97 +2.03 67Mn-20Cu-13Ni 144.2(147000) +0.21 42Mn-55Cu-3Mo 152(155000) 59Mn-16Ni-25Cr 161.8(165000) +0.85 80iMn-9Ni-11Mo 118.7(121000) +0.05 80Mn-20Ge 90.2(92000) +1.5 54.75Mn-45.25Pt 174.6(178000) -1.10 这些合金价格低廉,但Fe-Mn系和锰基合金耐蚀性层,锰基合金的性参+分敏志于成份,冷加工和热处理,而铬基合金则难以加工,仅能在铸态下进行机加工。此外,狭小的恒弹性温度范围都大大限制了这些合金的实际应用。 各向异性型:这类合金的特点是e和g显著各向异性,以pd-50%Au合金为例,其e值沿(111)和(110)晶向为负,而沿(100)晶向上,在-100-250℃范围内为E。因此,借助强冷变形产生适当的织构,即可获得相应的恒弹性。
铌基合金55NbTiAe(556T10)是这类合金中最有供表的实用化合金。其标准成份为
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Nb-39.5%Ti-5.5?,是一种沉淀强化型合金。 铌基合金,除了呈非铁磁性之外,还具有恒弹性范围宽(可达500-700℃,e=70-90×10-6/℃)、E值低(E=107.9GN/m2),耐高温(可制成高温弹性合金)、高耐蚀和抗松弛稳定性好的特点。55NbTiAe的性能示于表。
表:55NtTiAe各种状态下的力学性能 35%冷加工后的时效温度℃ ?b MN/m2(MPa) ?0.2 765(780) 1147(1170) 1020(1040) 863(880) 814(830) ?0.005 - 981(100) 976(5950) 819(8350) -- 8 % 5 脆断 1.0 2.5 7.5 原始状态(冷加工) 794(810) 冷加工+650℃时效 1147(1170) 冷加工+700℃时效 1049(1070) 冷加工+725℃时效 1030(1050) 冷加工+750℃时效 873(890) 铌基恒弹性合金的不足之处,是其冶炼,加工和热处理工艺比较复杂,而且原材料昂贵,由于性能优越,它在要求无磁,耐高温和高耐蚀的特殊条件下获得应用。
有序——无序转变型,这种恒弹性合金借助有序——无序转变时的弹性反常获得恒弹性。 目前,这类合金以NiTi金属间化合物为基,加入钴,铁等元素,其恒弹性温度范围高达600℃,但这类合金难以加工,虽以具有非铁磁性,耐蚀及恒弹的特点,仍来得到实际应用。 5、高温恒弹性合金
一般Invar反常型的恒弹性合金,如Ni-Spanc的恒弹性上限温度约为100℃,但某些用途,如石油开采业中井下用仪表的弹性元件的工作温度上很高达300℃或更高,为满足这引起要求,从两个途径开发了高温恒弹性合金。
其一,是研制铌基高恒弹性合金,即上节可述的55NbTiAe等合金。
其二,是在Fe-Ni基Invar反常型恒弹性合金中,借助加入钴提高的居里温度以扩大恒弹性的上限温度,并加入一定数量的铬,钼,铌,钛和铝等元素强化,以提高弹性和减小非弹性行为,从而形成Fe-Ni-Co系高温恒弹性合金。
Incolloy903是这类合金的一个典型牌号,共成份为Fe-38%Ni-15%Co-3.4%Nb-1.4Ti-0.7Ae.该合金为E与G在不同温度下的数值见表。 表:Incolloy 903不同温度下的E与G值 温度(℃) E(GN/m2) G(GN/m2) -196 –73 38 204 427 649 149.1 147.2 147.1 148.1 153 148.1 59.5 60.3 61.0 52.7 Incolloy 903的居里温度约为460℃,在低于居里温度时,其热膨胀系数在6-8×10-6/℃之间。因此,该合金兼备低膨胀与恒弹性的特点,除数恒弹必元件外,还可用作高温低膨胀元件。 除Incolloy 903外,我国也研制出几种Fe-Ni-Co系高温恒弹性合金,其成份和性能见表。 表:我国研制的几种高温恒弹性合金 主要成份 Ni48Co2Ti3 Ni47Co2Ti3Nb Ni33Co20N653Ti1.5 Ni39Co13Nb4Ti1.5 恒弹性性能 室温-350℃,βf≤1201×10-6/℃ 室温-300℃,βf≤1157×10-6/℃ -60-300℃,e≤1251×10-6/℃ 室温-300℃,e≤1201×10-6/℃ 6、其它恒弹性合金
为适应使用条件和日益严格的技术要求,恒弹性合金发展的两个显著趋势是:进一步提高恒弹性特性,以满足新型频率元件的要求;减小非弹性行为,提高Q值和弹性析限,在此趋势下一些别具特色的恒弹性合多久尖运而生,它们可分为以下几种:
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