5.3.2 Сплави з заданим температурним коефіцієнтом модуля пружності

Сплави Fe–Ni, окрім низьких значень температурного коефіцієнта лінійного розширення при деяких концентраціях нікелю, володіють ще такою властивістю – незначним температурним коефіцієнтом модуля пружності.

В усіх твердих тілах, в тому числі і металах, модуль пружності при нагріванні зменшується у зв’язку зі зменшенням енергії міжатомних зв’язків. В деяких сплавах Fe–Ni, які називаються елінварами, спостерігається аномалія в зміні модуля пружності при нагріванні, який або зростає, або змінюється несуттєво.

Елінварові сплави використовуються для виготовлення пружних елементів і пружин точних приладів та механізмів (пружин, камертонів, резонаторів електромеханічних фільтрів та ін.). Постійність модуля пружності забезпечує незначну температурну похибку приладу в умовах експлуатації.

Природа аномальності зміни модуля пружності при нагріванні, також як і природа інварності, має феромагнітну природу.

Зовнішні напруження розтягу діють на феромагнетик подібно магнітному полю, орієнтуючи магнітні вектори доменів і викликаючи магнітострикцію (лінійну та об’ємну), яку в цьому випадку називають механострикцією.

В результаті загальна деформація феромагнетику при дії на нього зовнішніх напружень буде складатися з пружньо-механічної d_о та механострикційної d_m складових.

Модуль нормальної пружності Е для феромагнетику визначається за формулою

,

тобто значення модуля пружності занижені внаслідок додаткового деформування феромагнітної природи.

На рис. 5.16 наведена діаграма пружного деформування феромагнетику.

Рисунок 5.16 – Пружна частина діаграми деформування феромагнетику [5]

Якщо до прикладення навантаження навести значне зовнішнє магнітне поле, яке вичерпає магнітострикційну деформацію, тоді модуль пружності феромагнетику буде визначатися тільки пружньомеханічним деформуванням і він буде досить високим

.

Таким чином, в усіх феромагнітних матеріалах модуль нормальної пружності дещо занижений через наявність деформації феромагнітної природи

.

В елінварних сплавах внаслідок великої об’ємної механострикції парапроцесу DЕ – ефект, на відміну від інших феромагнетиків, набуває великого значення і викликає аномальну зміну модуля пружності при нагріванні.

Можливий характер залежності модуля пружності Е феромагнітного матеріалу від температури нагрівання наведено на рис. 5.17. Зменшення Е₀ при нагріванні обумовлено послабленням сил міжатомної взаємодії. Зниження DЕ з підвищенням температури, яке викликається зменшенням намагніченості феромагнетиків, приводить не до зниження, а, навпаки, до зростання модуля нормальної пружності Е. З цього витікає, що модуль пружності феромагнетику може також бути постійним до температури точки Кюрі.

Рисунок 5.17 – Схема зміни модуля пружності феромагнетику при нагріванні [5]

Температурний коефіцієнт модуля нормальної пружності (термопружний коефіцієнт g), визначає характер зміни модуля пружності при нагріванні. В феромагнітних матеріалах цей коефіцієнт може мати позитивний знак у тих випадках, якщо модуль пружності при нагріванні зростає, а також від’ємний знак, якщо модуль пружності, як і у неферомагнітних матеріалів, знижується:

,

де Е₂₀ – модуль пружності при 20°С.

В елінварних сплавах термопружній коефіцієнт завжди має позитивне значення і може дорівнювати нулю.

Для сплавів Fe–Ni значення термопружного коефіцієнта визначаються вмістом нікелю (рис. 5.18). В сплавах, які містять від 29 до 45 % Ni, коефіцієнт g має позитивне значення, що свідчить про наявність великої аномалії в зміні модуля нормальної пружності при нагріванні.

Рисунок 5.18 – Залежність термопружного коефіцієнта g від вмісту нікелю в сплавах Fe-Ni [5]

Сплави із вмістом 29 і 45 % Ni мають нульові значення коефіцієнта g. Однак незначні відхилення в концентрації нікелю різко змінюють значення g. Тому сплави Fe – Ni додатково легують хромом, який робить цю залежність менш різкою і дозволяє отримати в сплавах різних плавок стійке значення g, близьке до нуля.

Першим сплавом такого типу був сплав 36НХ (36 % Ni і 12 % Cr), який назвали елінваром. Нажаль, цей сплав поряд з переліченими перевагами має і недоліки. По-перше, у нього низькі показники механічних характеристик, котрі неможна покращити термічною обробкою, тому що сплав має стійку однофазну аустенітну структуру. По-друге, сплав має невисоку температуру т. Кюрі (~100 °С), що обмежує його робочий інтервал температур.

Згодом сплав почали легувати титаном та алюмінієм (36НХТЮ), що дозволило зміцнювати його термічною обробкою, але додатково знизило температуру Кюрі. В результаті термічної обробки сплав втратив свою феромагнітність, а тому, і елінварність. Його використовують як сплав з добрими пружними властивостями для пружин та пружних елементів, від яких вимагається немагнітність та висока корозійна стійкість в агресивних середовищах.

Подальше використання елінварні сплави отримали в вигляді сплавів із вмістом 5…6 % Cr і 42…44 % Ni. Термопружній коефіцієнт таких сплавів близький до нуля (див. рис. 5.18). Підвищений вміст нікелю забезпечує більш високу температуру Кюрі, що розширює температурну область застосування цих сплавів. Для отримання добрих механічних властивостей ці сплави додатково легують титаном і алюмінієм, що дозволяє зміцнювати їх термічною обробкою (табл. 5.18). Вміст вуглецю в сплавах повинен бути мінімальним.

Таблиця 5.18 – Хімічний склад (ГОСТ 10994 – 74) і робоча температура елінварних сплавів [5]

Сплав	Вміст елементів (основа Fe), %				tроб, °С
	Ni	Cr	Ti	Al
42НХТЮ	41,5 – 43,5	5,3 – 5,9	2,4 – 3	0,5 – 1	< 100
44НХТЮ	43,5 – 45,5	5 – 5,6	2,2 – 2,7	0,4 – 0,8	< 200

Наведені сплави володіють добрими антикорозійними властивостями і, що важливо, незначним внутрішнім тертям. Сплави 42НХТЮ і 44НХТЮ для отримання мінімальних значень коефіцієнта g та внутрішнього тертя піддають термічному обробленню: гартування від 950 °С, під час якого надлишкові фази розчиняються в аустеніті, та наступне відпускання-старіння при 700 °С впродовж 4 годин. В процесі старіння в дисперсному виді виділяється проміжна метастабільна g¢ - фаза. Вірно проведена обробка вказаних сплавів дозволяє отримати значення коефіцієнта g в межах ± 1,5×10^-5 °С^-1 в інтервалі температур 20…100 °С. Основний недолік даних сплавів – нестабільність значення коефіцієнта g при можливих коливаннях хімічного складу в межах марки сплаву [5].