2.2. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости

Сплавы Fe-Ni, помимо низких значе­ний температурного коэффициента ли­нейного расширения при некоторых концентрациях никеля, обладают еще одним замечательным свойством — малым температурным коэффициен­том модуля 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 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 будет складываться из упруго-механической δ₀ и механострикционной δ_м составляющих.

Модуль нормальной упругости для ферро­магнетика определяется по формуле Е = σ / δ₀ + δ_м, т. е. значения модуля упругости занижены вследствие дополнительной деформации ферромагнитной природы.

На рис. 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:

Е = Е₀ - ΔЕ.

Рис. 12. Упругая часть диаграммы де­формации

ферромагнетика

В элинварных сплавах вследствие большой объемной механострикции парапроцесса ΔЕ - эффект, в отличие от остальных ферро­магнетиков, 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. 13. Уменьшение Е₀ при нагреве обусловлено ослаблением сил межатомного взаимодей­ствия. Снижение ΔЕ 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.

Рис. 13. Схема изменения модуля упру­гости

ферромагнетика при нагреве

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 и у неферромаг­нитных материалов, снижается:

E_t = E₂₀(l + γt),

где Е₂₀- модуль упругости при 20 °С.

В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положитель­ное значение и может быть равным нулю.

Сплавы с содержанием 29 и 45% Ni имеют нулевые значения коэффициента γ. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко из­меняют значения γ. Поэтому сплавы Fe-Ni дополнительно легируют 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% Сг), на­званный элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуще­ствами обладает недостатками. Во-первых, он имеет низкие значения меха­нических характеристик, которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, сплав имеет невысокую температуру точки Кюри (~100 °С), что ограничивает ра­бочий интервал температур.

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (36НХТЮ), что позволило упрочнять его термиче­ской обработкой, но дополнительно 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 требуются не-магнитность и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Дальнейшее распространение элинварные сплавы получили в виде сплавов с содержанием 5…6% Сr и 42…44% Ni. Термоупругий коэффициент таких спла­вов близок к нулю. 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. Содержание углерода в сплавах должно быть минимальным.

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ для по­лучения минимальных значений коэффи­циента γ и внутреннего трения подвер­гают термической обработке: закалке от 950 °С, при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и по­следующему отпуску-старению при 700 °С 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 °С^-1 в интервале температур 20…100 °С. Основной недостаток данных сплавов - нестабильность значения коэф­фициента γ при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.