波紋管彈性元件的材料要求
對(duì)波紋管彈性元件材料的要求
1.彈性材料的基本要求
一般情況下，波紋管彈性元件的制造材料應(yīng)滿足下列條件：
有良好的塑性，便于波紋管類(lèi)彈性元件的加工成形，且能通過(guò)隨后的處理工藝（冷作硬化、熱處理等），獲得足夠的彈性和強(qiáng)度高的彈性極限、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，保證彈性元件的正常工作有好的焊接性能，滿足波紋管類(lèi)組件制造過(guò)程中的焊接工藝要求材料的彈性性能穩(wěn)定，受時(shí)間和溫度的影響小，低的滯后、應(yīng)力弛豫與蠕變較好的耐腐蝕穩(wěn)定性
2. 彈性材料的選用原則
彈性元件的使用范圍很廣，工作條件和特性要求不一。因此，對(duì)材料提出了各種各樣的要求。對(duì)于一些性能要求不太高的彈性元件，材料的選擇就比較簡(jiǎn)便。如作為補(bǔ)償用的波紋節(jié)（波紋膨脹節(jié)），要求在較高的溫度和壓力下工作，對(duì)彈性特性的要求不高。這類(lèi)彈性元件可選用不銹鋼材料制造。儀器儀表中的彈性元件有的要求導(dǎo)磁，而大多數(shù)要求用非磁性材料制成。在很多場(chǎng)合，要求材料具有高的（或低的）導(dǎo)電性。有些彈性元件要求在高溫、高壓條件下工作，這時(shí)材料必須具備耐熱性和抗蠕變性能；當(dāng)彈性元件與腐蝕性介質(zhì)相接觸，它應(yīng)當(dāng)有足夠的耐腐蝕穩(wěn)定性。
對(duì)于彈性元件的材料來(lái)說(shuō)，要滿足各種各樣的，有時(shí)往往是相互矛盾的全部綜合性能要求是相當(dāng)困難的。選擇彈性材料時(shí)，應(yīng)著重考慮滿足元件的主要性能要求，然后再兼顧其他。譬如，某些儀器儀表中使用的彈性元件，對(duì)耐熱性和導(dǎo)電性都提出了要求。但兩者兼?zhèn)涞囊笫窍嗷ッ艿�。元件的耐熱性可以采用高合金化材料解決，而這會(huì)降低它的導(dǎo)電性；純金屬或低合金材料具有高的導(dǎo)電率，但是耐熱性很低。在許多情況下，高的耐熱性要求更為重要，因?yàn)樘岣唠妼?dǎo)率還可以通過(guò)其他途徑實(shí)現(xiàn)。所以在這種情況下應(yīng)該選用高合金化的耐熱材料，雖然它的電導(dǎo)率不夠高。
3. 許用應(yīng)力和安全系數(shù)
要能保證彈性元件長(zhǎng)期正常地工作，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須使彈性元件上的工作應(yīng)力滿足一定條件。
彈性元件使用的工作條件不盡相同，因此極限應(yīng)力可以有不同的取法．一般情況下，彈性元件均在彈性范圍內(nèi)工作，因而極限應(yīng)力可認(rèn)為是材料的彈性極限；在交變載荷作用下的彈性元件，極限應(yīng)力應(yīng)選取材料的疲勞強(qiáng)度；高溫條件下工作的彈性元件，極限應(yīng)力可選取材料的蠕變極限；在容易失穩(wěn)狀態(tài)下使用的彈性元件，極限應(yīng)力應(yīng)認(rèn)為是剛產(chǎn)生失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)力。
安全系數(shù)的大小由如下因素決定：彈性元件的使用場(chǎng)合及必須具備的可靠性，元件的工作條件和耐久性；材料力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性等。
安全系數(shù)值又決定于極限應(yīng)力的選取類(lèi)型（拉伸強(qiáng)度、彈性極限、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度或蠕變極限等）。大多數(shù)彈性元件是在彈性范圍內(nèi)工作，極限應(yīng)力取作材料的彈性極限，這時(shí)安金系數(shù)可取得接近于1；但多數(shù)材料的彈性極限不易查到，通常只能采用屈服強(qiáng)度來(lái)計(jì)算，這時(shí)安全系數(shù)應(yīng)取得大些。如果某種材料只知道拉伸強(qiáng)度如按拉伸強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)，應(yīng)該選取得更大一些。具體選多大，要按照它們之間的關(guān)系確定。
有些情況下，彈性元件沒(méi)有所需要的計(jì)算方法（如壓力計(jì)用彈性元件的疲勞壽命和耐久性、波紋管及膜片膜盒的穩(wěn)定性等），另外材料的某些力學(xué)性能（如彈性極限、疲勞強(qiáng)度、蠕變極限等）均不知道。這時(shí)，彈性元件不能正常工作的極限應(yīng)力，要用實(shí)驗(yàn)方法確定。
彈性元件常用材料
1.金屬?gòu)椥圆牧?nbsp;
彈性元件的制造材料要求具有良好的塑性，并通過(guò)隨后的處理得到高的彈性和強(qiáng)度。按照獲得彈性途徑的不同，彈性材料可分為如下三類(lèi)：
（1）冷作硬化型材料
這類(lèi)材料在退火狀態(tài)具有高的塑性，在制作彈性元件時(shí)經(jīng)過(guò)塑性變形，導(dǎo)致材料的加工硬化，從而顯著提高了自身的彈性。黃銅、錫青銅、不銹鋼如（1Cr18Ni9Ti）等都屬于這類(lèi)材料。用這些材料制造彈性元件的工藝比較簡(jiǎn)單，在成形后一般不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的熱處理。但這類(lèi)材料的彈性不高，而且元件制造過(guò)程中存在較大的殘余應(yīng)力，造成其彈性特性隨時(shí)間和溫度而變化的不穩(wěn)定性。
（2）淬火硬化型材料
這類(lèi)材料在退火狀態(tài)時(shí)塑性較高，通過(guò)淬火與隨后回火的方法得到所需要的彈性。各種彈簧鋼均屬于此類(lèi)材料。它們具有很高的彈性和強(qiáng)度，但經(jīng)熱處理強(qiáng)化后材料的塑性很低。一般情況下，不用來(lái)制作復(fù)雜形狀的彈性元件，而常用于制造各種螺旋彈簧和片簧等。
（3）彌散硬化型材料
這類(lèi)材料在淬火狀態(tài)下塑性很好，時(shí)效熱處理（回火）可以顯著提高它們的彈性。屬于彌散硬化型的材料有被青銅和各種精密彈性合金。淬火狀態(tài)的彌散硬化型材料具有高的塑性，可以制作復(fù)雜形狀的波紋管及其它彈性元件。在元件加工成形過(guò)程中沒(méi)有明顯的彈性回跳，可以得到符合要求的元件形狀與尺寸。經(jīng)時(shí)效熱處理后，彈性元件能獲得高的強(qiáng)度和彈性，它們的強(qiáng)度性能優(yōu)于淬火硬化型材料。此外，在彈性元件時(shí)效強(qiáng)化過(guò)程中殘余應(yīng)力基本上得到完全消除，元件的彈性滯后非常小。因此，彌散硬化型材料具有良好的工藝性和使用性能。
金屬?gòu)椥圆牧系姆N類(lèi)很多，下面主要介紹彈簧鋼、銅合金、不銹耐酸鋼和精密彈性合金四類(lèi)常用的彈性材料。
彈簧鋼
這類(lèi)材料主要用于制造各種螺旋彈簧、板彈簧和片簧等，它們?cè)诶浼庸ず笠?jīng)過(guò)淬火和回火處理，才能得到較高的彈性。其主要品種有碳素鋼65 和75、錳鋼（65Mn)、硅錳鋼（60Si2Mn和60Si2MnA）、鉻釩鋼（50CrVA）等。碳素鋼65和75在退火狀態(tài)有良好的韌性和塑性，經(jīng)熱處理后可得到較高的彈性和強(qiáng)度，用來(lái)制造螺旋彈簧與片簧。一般常采用鉛浴淬火和隨后強(qiáng)烈冷拔的高碳彈簧鋼絲制做小尺寸的螺旋彈簧。但其缺點(diǎn)是屈強(qiáng)比比較低，經(jīng)不起較大的過(guò)負(fù)載，而且淬透性較差。碳素彈簧鋼只適用于制造尺寸較小的、不太重要的小型彈簧。錳鋼的強(qiáng)度與碳素鋼差不多，但淬透性較高，抗疲勞性能較好，適宜于制造較大尺寸的彈簧。硅錳鋼的應(yīng)用較為廣泛，它們具有高的淬透性和強(qiáng)度，脫碳傾向小，適宜于制造工作條件比較惡劣的各種彈簧，還可以用干工作溫度低于250℃的耐熱彈簧。鉻釩鋼強(qiáng)度較好，高的屈強(qiáng)比，淬透性較高，塑性和韌性良好，并具有一定的耐熱性，主要用于制造高壓壓力表中的彈簧管，以及承受較高應(yīng)力或交變載荷條件下工作的各種彈簧。使用溫度可以達(dá)到400 ℃。
銅合金
這類(lèi)材料在彈性元件制造材料中占有很大比重。其中黃銅、錫青銅是用于制造普通波紋管、片簧和膜片膜盒的常用材料，它們的塑性很好，在制造元件過(guò)程中可經(jīng)受深度拉伸，并且焊接性能較好，但成形的元件具有較大的殘余應(yīng)力。被青銅是性能理想的彈性材料，它具有高的強(qiáng)度、彈性、疲勞極限和蠕變抗力。鎳銅合金具有良好的耐腐蝕性能．適用干制造耐蝕耐熱的彈性元件。
1)黃銅
屬于冷作硬化型材料，退火狀態(tài)具有高的塑性，易于加工制造波紋管、波紋膜片等形狀復(fù)雜的彈性元件。材料經(jīng)冷加工后可獲得一定的彈性。但這種材料強(qiáng)度和彈性較低，并且彈性遲滯嚴(yán)重。
2)錫青銅
錫青銅的強(qiáng)度較高，有一定的耐蝕性，經(jīng)冷加工后可獲得較高的彈性。錫青銅是制造波紋管和膜片膜盒的一種常用材料。錫青銅QSn6.5-0.1和QSn6.5-0.4的性能相近，后者比前者的強(qiáng)度略高。
3)鈹青銅
屬?gòu)浬⒂不秃辖�，具有良好的工藝和使用性能。�?dǎo)電性能、耐腐蝕性能均較好，又有一定的耐熱性，綜合性能很好。但因鈹青銅價(jià)格昂貴，一般用作制造精密彈性元件。
4)鎳銅合金
鎳銅合金NCu28-2.5-1.5（蒙乃爾合金）具有優(yōu)良的抗蝕性和耐熱性，可在各種腐蝕介質(zhì)及溫度達(dá)切400℃ 的條件下工作，適干制造耐蝕耐熱的彈性元件。
不銹鋼
不銹鋼包括不銹耐酸鋼和耐熱鋼等類(lèi)，其中有些不銹鋼品種兼有耐酸和耐熱性能，可以在腐蝕性介質(zhì)及高溫條件下工作，多用于制造耐蝕、耐熱的波紋管類(lèi)組件。在不銹鋼材料中，1Cr18Ni9Ti應(yīng)用最廣，常用來(lái)制造波紋管、膜片膜盒和波紋換熱管等。Cr18Ni12Mo2Ti是新型不銹鋼彈性材料，它的耐蝕和耐熱性能要強(qiáng)于不銹鋼1Cr18Ni9Ti。它們都屬于冷作硬化型材料。
精密彈性合金
精密彈性合金是一種新型彈性材料，它們具有高強(qiáng)度、高彈性，耐腐蝕、耐高溫、耐疲勞等特點(diǎn)，因此在精密測(cè)量的儀器儀表中得到廣泛的應(yīng)用。精密彈性合金包括高彈性合金和恒彈性合金兩類(lèi)。高彈性合金主要有鈷基合金和鐵基合金，恒彈性合金是鎳基合金。它們都屬?gòu)浬⒂不筒牧稀?nbsp;
1）鈷基彈性合金
它們具有高彈性、低滯后、耐腐蝕、無(wú)磁等特點(diǎn)，適用于制造高負(fù)荷下上作的彈性元件，使用溫度可達(dá)400℃。鈷基合金主要有3J21~3J24。這些合金在淬火后必須經(jīng)受大的冷加工變形（變形量＞70% ），隨后進(jìn)行時(shí)效處理，才會(huì)使材料出現(xiàn)彌散硬化，獲得高彈性和高強(qiáng)度。如果合金的冷加工變形量不夠，時(shí)效產(chǎn)生的彌散硬化作用就不顯著。
2）鐵基彈性合金
它們具有擾磁、耐腐蝕、高彈性、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，可用來(lái)制造高線性特性和較小滯后的彈性元件。鐵基合金主要有3J1、Ni36CrTiAlMo5和Ni36CrTiAlMo8等。合金在淬火狀態(tài)下有較高的塑性，加工性能良好，能夠制造各種復(fù)雜形狀的彈性元件，如波紋管、膜片膜盒、壓力彈簧管等，通過(guò)隨后的時(shí)效處理即可得到高彈性。
3）恒彈性合金
這類(lèi)合金具有高的強(qiáng)度和彈性，并且彈性模量溫度系數(shù)非常�。銖椥院辖鹬饕�3J53 、3J58 等。恒彈性合金的彈性特性十分穩(wěn)定，廣泛用于制造精密級(jí)的彈性元件，如諧振彈性元件、精密波紋管、標(biāo)準(zhǔn)壓力表用彈簧管、航空儀表中的膜片膜盒等。
2. 非金屬?gòu)椥圆牧?nbsp;
當(dāng)彈性元件需要非常小的剛度時(shí)，可采用彈性模量很小的非金屬材料，如橡膠、塑料、滌綸等。石英材料（即熔石英）具有特別高的彈性模量，非常小的彈性模量溫度系數(shù)和滯后，是制造精密彈性元件的一種很有前途的材料。
（1）橡膠
根據(jù)彈性元件的特性要求，橡膠材料應(yīng)有較高的彈性和抗彎強(qiáng)度，能耐一定的使用溫度，抗老化性能好。同時(shí)，還應(yīng)具備工藝性能穩(wěn)定、流動(dòng)性好、硫化速度適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)。
為了保證橡膠材料的強(qiáng)度和氣密性，橡膠內(nèi)可增設(shè)夾層。夾層材料的種類(lèi)很多，薄而致密的織品一般都可使用，常用夾層為9 號(hào)卡普龍。夾層材料應(yīng)具有良好的撓性，薄而強(qiáng)度高，滯后小，耐腐蝕，與橡膠結(jié)合好等特點(diǎn)。
（2）塑料
作為彈性元件應(yīng)用的主要是氟塑料，它們具有一定的強(qiáng)度和彈性，很高的耐腐蝕穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。目前，氟塑料己被用來(lái)制造波紋管和膜片等。
（3）石英（熔石英）
石英的熔點(diǎn)為1713 ℃，熔化的石英冷卻后成為非晶質(zhì)的熔石英。石英的線脹系數(shù)很小，彈性模量非常高，且不隨溫度而變。用石英材料制成的彈性元件其彈性特性具有很高的線性度，石英彈性元件已在超高精度的儀器儀表及測(cè)量裝置中得到應(yīng)用。
