Pod kojim uvjetima će fenomen puzanja torzijskih opruga od nehrđajućeg čelika biti značajniji

Puzanje je spora, trajna plastična deformacija čvrstog materijala pod stalnim naprezanjem tijekom vremena. Za torzijske opruge od nehrđajućeg čelika , puzanje se očituje kao postupno smanjenje povratnog zakretnog momenta (tehnički poznato kao opuštanje naprezanja pod stalnim otklonom) ili kontinuiranim povećanjem kuta otklona pod stalnim opterećenjem. Ova pojava izravno utječe na dugoročnu preciznost i pouzdanost opruge. Iz stručne perspektive, značajna pojava puzanja kod torzijskih opruga od nehrđajućeg čelika prvenstveno je pod utjecajem sinergističkih učinaka sljedeća tri integrirana čimbenika.

1. Učinak kritične temperature

Temperatura je primarni faktor koji određuje hoće li doći do značajnog puzanja. Dok se puzanje teoretski događa na bilo kojoj temperaturi, njegova brzina materijalno utječe na inženjerske primjene tek nakon što prijeđe određeni prag.

Korelacija tališta: Tradicionalna teorija metalnih materijala sugerira da puzanje obično postaje značajno oko 0,4 Tm​ iznad apsolutne temperature taljenja materijala. Nehrđajući čelici (kao što je serija 300) imaju višu točku taljenja, ali budući da je opružna žica pod velikim naprezanjem, stvarna temperatura pri kojoj dolazi do puzanja puno je niža.

Radna temperatura nehrđajućeg čelika: Općenito govoreći, preporučena maksimalna radna temperatura za momentnu oprugu za standardne austenitne nehrđajuće čelike (kao što je SUS 304 ili 302) je približno 250°C do 300°C.

Kada je radna temperatura ispod 100°C, brzina puzanja je izuzetno niska i može se zanemariti.

Kada radna temperatura prijeđe 150°C, posebno u rasponu od 200°C do 300°C, kretanje dislokacija i difuzija slobodnih mjesta unutar nehrđajućeg čelika se aktiviraju toplinskom energijom, ubrzavajući plastičnu deformaciju i uzrokujući da puzanje postane vidljivo.

2. Katalitički učinak visokih razina stresa

Pod istim temperaturnim uvjetima, primijenjene razine naprezanja su primarna pokretačka sila koja ubrzava puzanje. Za torzijske opruge ovo se naprezanje posebno odnosi na naprezanje na savijanje.

Naprezanje i čvrstoća tečenja: Puzanje je jedinstveno po tome što se događa na razinama naprezanja daleko ispod granice tečenja materijala. Međutim, što je naprezanje bliže granici elastičnosti, veća je stopa puzanja.

Dizajn opruge: Prilikom projektiranja torzijske opruge, ako maksimalno radno naprezanje premašuje kritični postotak proporcionalne granice materijala od nehrđajućeg čelika (npr. 60% ili 70%), puzanje se može akumulirati tijekom duljeg razdoblja, stvarajući značajnu dimenzijsku nestabilnost, čak i na sobnoj temperaturi. Visoki stres osigurava energiju aktivacije potrebnu za prevladavanje otpora rešetke, ubrzavajući pojavu puzanja dislokacije.

Opuštanje naprezanja: U primjenama s konstantnim otklonom, veliko naprezanje izravno dovodi do ubrzanog opuštanja naprezanja. Ovo se opuštanje u konačnici očituje kao gubitak zakretnog momenta, što je primarni razlog zašto opruga ne može održati svoju predviđenu funkciju.

3. Trajanje trajnog opterećenja

Puzanje je tipična vremenski ovisna deformacija. Što dulje opruga ostaje pod opterećenjem, veća je kumulativna deformacija puzanja.

Tri faze puzanja: Proces puzanja se obično dijeli u tri faze:

Primarno puzanje: Brzina deformacije se postupno smanjuje. Ovo je faza u kojoj dominira deformacijsko otvrdnjavanje kada se opruga prvi puta optereti.

Sekundarno puzanje: Brzina deformacije ostaje uglavnom konstantna. Ovo je faza ravnoteže između stvrdnjavanja i omekšavanja (tj. oporavka) i čini većinu životnog vijeka opruge.

Tercijarno puzanje: Brzina deformacije se naglo povećava do loma. U praktičnoj primjeni momentnih opruga, ovaj stupanj općenito nije dopušten.

Dugotrajno statičko opterećenje: Za primjene statičkih opterećenja koje zahtijevaju održavanje fiksnog kuta tijekom duljeg razdoblja, kao što su opruge ventila ili određeni stezni mehanizmi, vrijeme je ključno. Čak i pri relativno niskim naprezanjima i temperaturama, kumulativna opterećenja tijekom godina ili čak desetljeća mogu uzrokovati da trajno podešenje opruge premaši tolerancije.

4. Utjecaj mikrostrukture materijala

Mikrostruktura i proizvodni proces žice od nehrđajućeg čelika odlučujuće utječu na otpornost na puzanje.

Hladno otvrdnjavanje: opružna žica od nehrđajućeg čelika obično se podvrgava visokom postotku hladnog izvlačenja kako bi se postigla visoka čvrstoća. Visoka gustoća dislokacija unesena hladnom obradom poboljšava otpornost na puzanje na sobnoj temperaturi. Međutim, kako temperatura raste, te se dislokacije mogu početi oporavljati, smanjujući učinkovitost opuštanja stresa.

Precipitacijsko otvrdnjavanje: Neki tipovi nehrđajućeg čelika visoke čvrstoće (kao što je 17-7 PH nehrđajući čelik) koriste mehanizam taložnog otvrdnjavanja. Pravilna toplinska obrada i starenje mogu stvoriti fine precipitate, učinkovito pričvrstiti dislokacije i značajno poboljšati otpornost na puzanje pri povišenoj temperaturi.