W jakich warunkach zjawisko pełzania sprężyn skrętnych ze stali nierdzewnej będzie bardziej znaczące?

Pełzanie to powolne, trwałe odkształcenie plastyczne materiału stałego pod wpływem stałego naprężenia w czasie. Dla sprężyny skrętne ze stali nierdzewnej pełzanie objawia się stopniowym zmniejszaniem się momentu przywracającego (technicznie zwanego relaksacją naprężeń przy stałym ugięciu) lub ciągłym wzrostem kąta ugięcia pod stałym obciążeniem. Zjawisko to bezpośrednio wpływa na długoterminową precyzję i niezawodność sprężyny. Z profesjonalnego punktu widzenia na znaczące występowanie pełzania w sprężynach skrętnych ze stali nierdzewnej wpływa przede wszystkim synergiczne działanie następujących trzech zintegrowanych czynników.

1. Krytyczny wpływ temperatury

Temperatura jest głównym czynnikiem decydującym o tym, czy pełzanie nastąpi znacząco. Chociaż pełzanie teoretycznie występuje w dowolnej temperaturze, jego szybkość ma istotny wpływ na zastosowania inżynieryjne dopiero po przekroczeniu określonego progu.

Korelacja temperatury topnienia: Tradycyjna teoria materiałów metalowych sugeruje, że pełzanie zwykle staje się znaczące około 0,4 Tm powyżej bezwzględnej temperatury topnienia materiału. Stale nierdzewne (takie jak seria 300) mają wyższą temperaturę topnienia, ale ponieważ drut sprężynowy jest poddawany dużym naprężeniom, rzeczywista temperatura, w której następuje pełzanie, jest znacznie niższa.

Temperatura pracy stali nierdzewnej: Ogólnie rzecz biorąc, zalecana maksymalna temperatura pracy sprężyny reakcyjnej do standardowych austenitycznych stali nierdzewnych (takich jak SUS 304 lub 302) wynosi około 250°C do 300°C.

Gdy temperatura robocza jest niższa niż 100°C, szybkość pełzania jest bardzo niska i można ją zignorować.

Gdy temperatura robocza przekracza 150°C, szczególnie w zakresie od 200°C do 300°C, ruch dyslokacyjny i dyfuzja pustek w stali nierdzewnej są aktywowane przez energię cieplną, przyspieszając odkształcenie plastyczne i powodując zauważalne pełzanie.

2. Katalityczny efekt wysokiego poziomu stresu

W tych samych warunkach temperaturowych, zastosowane poziomy naprężeń są główną siłą napędową przyspieszającą pełzanie. W przypadku sprężyn skrętnych naprężenie to odnosi się w szczególności do naprężenia zginającego.

Naprężenie i granica plastyczności: Pełzanie jest wyjątkowe, ponieważ występuje przy poziomach naprężeń znacznie niższych od granicy plastyczności materiału. Jednakże im bliżej naprężenia zbliża się granica sprężystości, tym większa jest szybkość pełzania.

Konstrukcja sprężyny: Jeśli podczas projektowania sprężyny skrętowej maksymalne naprężenie robocze przekracza krytyczny procent wartości granicznej proporcjonalności materiału ze stali nierdzewnej (np. 60% lub 70%), pełzanie może kumulować się przez dłuższy czas, powodując znaczną niestabilność wymiarową, nawet w temperaturze pokojowej. Wysokie naprężenie zapewnia energię aktywacji wymaganą do pokonania oporu sieci, przyspieszając występowanie pełzania dyslokacyjnego.

Relaksacja naprężeń: W zastosowaniach ze stałym ugięciem duże naprężenia bezpośrednio prowadzą do przyspieszonej relaksacji naprężeń. To rozluźnienie ostatecznie objawia się utratą momentu obrotowego, co jest głównym powodem, dla którego sprężyna nie może zachować swojej zamierzonej funkcji.

3. Stały czas ładowania

Pełzanie jest typowym odkształceniem zależnym od czasu. Im dłużej sprężyna pozostaje pod obciążeniem, tym większe jest skumulowane odkształcenie pełzające.

Trzy etapy pełzania: Proces pełzania jest zwykle podzielony na trzy etapy:

Pełzanie pierwotne: Szybkość odkształcania stopniowo maleje. Jest to etap zdominowany przez umocnienie odkształceniowe podczas pierwszego obciążenia sprężyny.

Wtórne pełzanie: Szybkość odkształcania pozostaje zasadniczo stała. Jest to etap równowagi między twardnieniem a mięknięciem (tj. odzyskiem) i odpowiada za większość żywotności sprężyny.

Pełzanie trzeciorzędowe: Szybkość odkształcania gwałtownie wzrasta aż do pęknięcia. W praktycznych zastosowaniach sprężyn reakcyjnych ten etap jest generalnie niedopuszczalny.

Długotrwałe obciążenie statyczne: W przypadku zastosowań związanych z obciążeniem statycznym, które wymagają utrzymywania stałego kąta przez dłuższy czas, np. w przypadku sprężyn zaworowych lub niektórych mechanizmów zaciskających, czas ma kluczowe znaczenie. Nawet przy stosunkowo niskim naprężeniu i temperaturze skumulowane obciążenia na przestrzeni lat, a nawet dziesięcioleci mogą spowodować, że trwałe naprężenie sprężyny przekroczy tolerancje.

4. Wpływ mikrostruktury materiału

Mikrostruktura i proces produkcji drutu ze stali nierdzewnej mają decydujący wpływ na odporność na pełzanie.

Hartowanie na zimno: Drut sprężynowy ze stali nierdzewnej zwykle poddaje się dużemu procentowi ciągnienia na zimno, aby osiągnąć wysoką wytrzymałość. Wysoka gęstość dyslokacji wprowadzonych przez obróbkę na zimno poprawia odporność na pełzanie w temperaturze pokojowej. Jednakże wraz ze wzrostem temperatury dyslokacje te mogą zacząć się regenerować, zmniejszając skuteczność relaksacji naprężeń.

Hartowanie wydzieleniowe: Niektóre gatunki stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości (takie jak stal nierdzewna 17-7 PH) wykorzystują mechanizm utwardzania wydzieleniowego. Właściwa obróbka cieplna i starzenie mogą powodować powstawanie drobnych wydzieleń, skutecznie unieruchamiając dyslokacje i znacznie poprawiając odporność na pełzanie w podwyższonej temperaturze.