【摘要】：彈性體是應(yīng)變式稱重傳感器核心元件,彈性體的滯彈性能影響傳感器精度和計(jì)量性能,是傳感器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。彈性體滯彈性研究是開發(fā)高精度稱重傳感器的必由之路。本文首次采用配以高精度溫箱和加載裝置的雙頻激光干涉測(cè)試系統(tǒng),納米尺度量化研究了17-4PH鋼滯彈特性,該測(cè)試系統(tǒng)精度達(dá)到0.1nm。采用應(yīng)變式傳感器設(shè)計(jì)原理,定性研究了不同亞結(jié)構(gòu)40CrNiMo鋼滯彈行為。結(jié)合透射電鏡、內(nèi)耗測(cè)試、數(shù)值模擬和X衍射等技術(shù)系統(tǒng)研究了17-4PH鋼和40CrNiMo鋼彈性體滯彈特性。分析了2Cr13鋼彈性體易開裂失效的原因,并解決了困擾2Cr13鋼彈性體工程應(yīng)用問題。論文主要工作和成果如下: 研究了17-4PH鋼彈性體測(cè)試間隔時(shí)間對(duì)滯彈性能的影響。結(jié)果表明,測(cè)試間隔時(shí)間約低于12分鐘,17-4PH鋼彈性體滯后和回零值無變化,間隔時(shí)間大于12分鐘,彈性體滯后和回零隨測(cè)試等待時(shí)間延長(zhǎng)而增加。分析認(rèn)為,溶質(zhì)原子應(yīng)力感生有序是造成17-4PH鋼滯后和回零隨測(cè)試等待時(shí)間變化的根本原因,應(yīng)力感生有序造成的滯后占到17-4PH鋼滯后的4～7%。磁場(chǎng)影響17-4PH鋼滯彈性,磁飽和彈性體滯后比未經(jīng)磁化處理彈性體滯后低20～30%,部分磁化彈性體滯后要高于未磁化彈性體的滯后。分析認(rèn)為,磁飽和彈性體無磁彈性內(nèi)耗產(chǎn)生(磁致伸縮及其逆效應(yīng)),從而降低滯后;部分磁化彈性體內(nèi)部可能形成宏觀渦流損耗,導(dǎo)致滯后增大。研究了相同固溶處理,不同時(shí)效工藝17-4PH鋼滯彈行為。結(jié)果表明,固溶態(tài)(不時(shí)效)17-4PH鋼具有突出大滯彈,尤其是彈性蠕變。相同硬度條件下,低溫時(shí)效試樣滯彈性能好于高溫時(shí)效試樣,過時(shí)效增大17-4PH鋼滯彈,17-4PH鋼的硬度和滯彈性能呈非線性關(guān)系。分析認(rèn)為,17-4PH鋼強(qiáng)化源于基體中彌散析出的Cu粒子,時(shí)效溫度升高,Cu粒子尺寸變大、彌散度下降、基體位錯(cuò)密度降低、回復(fù)特征明顯,從而滯彈性變差。加載應(yīng)力和測(cè)試溫度對(duì)彈性體滯彈性能有顯著影響,彈性蠕變和蠕變恢復(fù)值同步變化,它們和滯后隨加載應(yīng)力增大、測(cè)試溫度升高而變大。應(yīng)力對(duì)滯后的影響明顯大于溫度對(duì)滯后的影響。彈性體滯彈性的絕對(duì)變化量和相對(duì)變化量無對(duì)應(yīng)關(guān)系。17-4PH鋼內(nèi)耗測(cè)試表明,內(nèi)耗隨著應(yīng)變振幅增加和溫度上升而變大,動(dòng)態(tài)模量與內(nèi)耗變化方向相反,內(nèi)耗大小與滯彈性具有相似的變化趨勢(shì),試樣在低于10~(-6)應(yīng)變即產(chǎn)生內(nèi)耗和滯后。研究了17-4PH鋼固溶后、時(shí)效前的預(yù)形變對(duì)彈性體滯后的影響,結(jié)果表明,預(yù)形變方向與彈性體測(cè)試同向則降低滯后,反向則增加滯后,該現(xiàn)象和包申格效應(yīng)有關(guān)。 研究了相同淬火溫度,不同回火亞結(jié)構(gòu)40CrNiMo鋼滯彈特性。結(jié)果表明,回火屈氏體滯彈性能最好,回火馬氏體和回火索氏體滯彈較差。分析認(rèn)為,低溫回火組織中約4.1%沿界面分布的殘余奧氏體,以及組織中存在較大殘余拉應(yīng)力和不穩(wěn)定組織降低了回火馬氏體滯彈性能。中溫回火時(shí),淬火形成的孿生組織和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變基本結(jié)束,淬火拉應(yīng)力消除,回火屈氏體組織具有優(yōu)良滯彈性能。高溫回火組織強(qiáng)度低、碳化物粗化導(dǎo)致回火索氏體較差的滯彈性能。研究了不同熱處理工藝、相同熱處理硬度(44～46HRC)時(shí)40CrNiMo鋼滯彈特性。結(jié)果表明,等溫淬火下貝氏體組織滯彈性最優(yōu),亞溫淬火和高溫淬火均不利于滯彈性能。亞溫淬火組織中沿晶未溶鐵素體增大彈性體滯彈性。高溫淬火粗大組織降低了相界面積,晶界滑移阻力下降,增大滯彈。下貝氏體由條狀鐵素體和彌散均勻分布的短桿狀碳化物組成,彌散均布碳化物以及組織中殘余壓應(yīng)力是下貝氏體具有最佳滯彈性能的主因。 研究表明,2Cr13鋼應(yīng)力腐蝕開裂傾向較大,原420℃回火工藝處于2Cr13鋼敏化溫度和回火脆性區(qū)。在270～420℃回火區(qū)間,2Cr13鋼應(yīng)力腐蝕抗力隨回火溫度升高顯著降低,應(yīng)力腐蝕開裂敏感性指數(shù)由300℃回火時(shí)的9.2%上升到420℃回火時(shí)的71.8%。在270～420℃回火區(qū)間,隨回火溫度升高,2Cr13鋼強(qiáng)度略微增加,沖擊性能顯著降低,滯后略微減小。彈性體表面Ni-P鍍層內(nèi)存在約150MPa拉應(yīng)力,Ni-P鍍顯著降低2Cr13鋼應(yīng)力腐蝕抗力。噴丸強(qiáng)化在工件表面誘導(dǎo)650MPa壓應(yīng)力,極大提高2Cr13鋼應(yīng)力腐蝕開裂抗力。
【圖文】：

(1)應(yīng)變片電阻應(yīng)變片(應(yīng)變計(jì))是傳感器的敏感元件，應(yīng)變片結(jié)構(gòu)多種多樣，但它們的基本組成相似。圖1.2是常用的電阻應(yīng)變片，由敏感柵、基底、蓋層、粘結(jié)劑等組成。敏感柵是把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的敏感元件，它是電阻應(yīng)變片的核心部分，常用的敏感柵材料有康銅、卡瑪合金等，用照影和蝕刻的方法將箔材加工成敏感柵，敏感柵的厚度數(shù)十微米。通過調(diào)整應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的合金成分配比、改變箔材冷軋成型壓縮率以及適當(dāng)?shù)臒崽幚�，可以使敏感柵阻值不隨環(huán)境溫度改變而變化。敏感柵蠕變性能可通過改變其結(jié)構(gòu)、基底材料配比及關(guān)鍵工藝參數(shù)加以調(diào)節(jié)。美國(guó)VMM公司和德國(guó)HBM等公司，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過關(guān)鍵技術(shù)對(duì)應(yīng)變片滯后特性的控制，盡管目前應(yīng)變片滯后調(diào)節(jié)技術(shù)不成熟，但它的出現(xiàn)是高精度傳感器發(fā)展過程中的重要突破。基底材料是支撐敏感柵

應(yīng)變式稱重傳感器一般采用全橋式等臂橋路，全橋電路靈敏度高，等臂電橋的各橋臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵消。以受拉伸載荷柱式傳感器為例推導(dǎo)橋式電路電壓輸出與彈性體應(yīng)變之間的關(guān)系。如圖1.3所示，柱式彈性體表面粘貼4只應(yīng)變片，于彈性體對(duì)稱分布，一側(cè)2片，應(yīng)變片絲柵方向分別平行和垂直于應(yīng)力加載方向。彈性體受拉，平行于拉應(yīng)力方向絲柵阻值變大，垂直于拉應(yīng)力方向絲柵阻值變小。4只應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通橋路。Straing銘e\恤胃圖1.3柱式彈性體及惠斯通電橋 Fig.1.3ColumnsPringelementandWheatstonebridge設(shè)Rl、R3為受拉應(yīng)變片阻值，受壓應(yīng)變片阻值為RZ、凡。在供橋端施加電壓ul后，，輸出端產(chǎn)生電壓u。:R，R
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TH704;TG142.15

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2643751