稱重傳感器彈性元件金屬材料的分析與選擇
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一、概述MdS廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
結(jié)構(gòu)、材料、工藝、檢定是研制和生產(chǎn)高精度稱重傳感器的四大關(guān)鍵間題，其中彈性元件的結(jié)構(gòu)是高精度稱重傳感器的基礎(chǔ)，彈性元件的材料是稱重傳感器能否具有高技術(shù)性能和穩(wěn)定性能的關(guān)鍵，制造工藝貫穿于生產(chǎn)的全過程是保證稱重傳感器具有優(yōu)良的綜臺性能和較好的可靠性的核心，而測試與檢定則是稱重傳感器實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和最終達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)要求的保障。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展，近年來對彈性元件金屬材料的研究與分析有了較深一層的認(rèn)識和理解，對金屬材料的性能提出了較全面的要求，并制定了一些選用原則。彈性元件所用的金屬材料，除對化學(xué)成分和冶煉條件必須嚴(yán)格要求外，還應(yīng)要求具備下列性能：
1 強(qiáng)度極限高，以便在高載荷下稱重傳感器有足夠的強(qiáng)度儲備；
2．彈性極限高，應(yīng)變與載荷呈比較嚴(yán)格的線性關(guān)系；
3 彈性模量具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性，且溫度系數(shù)??；
4．具有小的彈性滯后；
5 彈性后效(蠕變)小；
6 組織均勻，各向同性，冷熱加工后，殘余應(yīng)力小；
7．沖擊韌性好，以使稱重傳感器有較好的耐沖擊、振動(dòng)和抗疲勞性能。一般對疲勞壽命的要求是在0～2000×10 應(yīng)變下，循環(huán)次數(shù)大于10
8．熱膨脹系數(shù)?。?/span>
9．鍛造、機(jī)械加工和熱處理工藝性能好；
10．具有一定的抗氧化能力。MdS廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
要使某一種金屬材料同時(shí)具備上述各項(xiàng)性能是不可能的，但可以將金屬材料經(jīng)過某些處理后，使其盡量滿足或接近上述各項(xiàng)性能 國內(nèi)外生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，為確保稱重傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，彈性元件
金屬材料的鈍度一定要高，成分的均勻性一定要好，不能只突出某一單項(xiàng)指標(biāo)，一定要綜合性能良好。在選擇彈性元件金屬材料時(shí)，應(yīng)特別注意材料的彈性模量E，材料的滯彈性效應(yīng)(彈性滯后、蠕變、應(yīng)力松弛)和熱彈性效應(yīng)對稱重傳感性能的影響。
二、材料的彈性模量對稱重傳感器
性能的影響MdS廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
彈性元件材料的彈性模量E的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)，直接影響稱重傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。在選擇金屬材料時(shí)應(yīng)給以特別關(guān)注。
1 在彈性模量E與彈性元件應(yīng)變區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)變s之間的關(guān)系上，要求彈性模量E在稱重傳感器額定負(fù)荷或安全過負(fù)荷以內(nèi)盡量保持為常數(shù)。這樣就能保證外加負(fù)荷與應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變值呈較嚴(yán)格的線性關(guān)系。通常人們都認(rèn)為金屬材料在比例極限以內(nèi)，彈性模量E是常數(shù)，這是不嚴(yán)格的。實(shí)際上，僅僅是在一定的范圍內(nèi)，彈性模量E才比較接近常數(shù)。而且采用不同的熱處理規(guī)范，彈性模量E為常數(shù)的應(yīng)變的范圍也不同。生產(chǎn)實(shí)踐證明中碳臺金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMoA在HRC39，35CrMnSiA在HRC42時(shí)，彈性模量E接近常數(shù)。
2．在彈性模量E與溫度關(guān)系上，要求彈性模量E隨溫度變化時(shí)，既要比較線性，又要非常穩(wěn)定。因?yàn)榻^大部分金屬材料的彈性模量E都隨溫度的升高而減小，因而造成稱重傳感器輸出靈敏度變化 盡管這是一項(xiàng)系統(tǒng)誤差，但為便于進(jìn)行靈敏度溫度補(bǔ)償，還是要求彈性模量E隨溫度變化盡量即線性又穩(wěn)定為好。
3．在彈性模量E與時(shí)間的關(guān)系上，要求彈性模量E隨時(shí)間的穩(wěn)定性要好，即要求彈性模量E不隨時(shí)間變化。也就是在稱重傳感器使用壽命內(nèi)彈性模量E盡量不發(fā)生變化。由于冷熱加工后存在著殘余應(yīng)力，一方面，當(dāng)外界條件稍有變化時(shí)，殘余應(yīng)力將重新分布，使彈性元件產(chǎn)生附加變形，造成稱重傳感器不穩(wěn)定；另一方面，殘余應(yīng)力還將使彈性元件在受載過程中出現(xiàn)局部屈服，造成彈性模量E的改變和
不穩(wěn)定。因此，要求金屬材料在形成彈性元件的冷熱加工后殘余應(yīng)力要小，并應(yīng)采取各種機(jī)械的和熱處理的方法，釋放、消除殘余應(yīng)力，盡量保證彈性模量E隨時(shí)間變化最小或恒定。
4．在動(dòng)態(tài)稱重狀態(tài)下使用的稱重傳感器，還要求在振動(dòng)和沖擊情況下材料的彈性模量E不改變或改變很小。為此應(yīng)盡量選用彈性模量E與密度p的乘積Ep較小的金屬材料。
三、材料的滯彈性效應(yīng)對稱重傳感器性能的影響
彈性元件的金屬材料首先應(yīng)保證其重要性能，即彈性和應(yīng)力。在交變應(yīng)力條件下工作的彈性元件應(yīng)具有較高的強(qiáng)度極限和疲勞極限。為保證稱重傳
感器工作性能穩(wěn)定，還要求金屬材料抗微塑變形能力強(qiáng)，即具有較高的彈性極限，因?yàn)閺椥詷O限愈高，滯彈性效應(yīng)出現(xiàn)的愈少。稱重傳感器彈性元件的質(zhì)量，很大程度上取決于彈性元件的制造工藝，特別是熱處理工藝。這些工藝直接影響到彈性元件的彈性和應(yīng)力，尤其是滯彈性效應(yīng)。所謂滯彈性，就是材料在彈性變形范圍內(nèi)，同時(shí)伴有微塑變形，使應(yīng)力和應(yīng)變之間不遵循虎克定律，而產(chǎn)生非線性誤差，這種現(xiàn)象稱為材料的滯彈性。其表現(xiàn)形式較多，主要有：彈性滯后、彈性后效(蠕變)、應(yīng)力松弛等。
1 彈性滯后彈性元件金屬材料，在加載與卸載的正反行程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合，而構(gòu)成一個(gè)回線環(huán)，即對應(yīng)同一應(yīng)力有不同的應(yīng)變值8和s1，其差值△s=e 一e叫彈性滯后。在不同的應(yīng)力下，彈性后也不同，一般用最大相對滯后的百分?jǐn)?shù)表示，即R： 壘!6…式中：s一——最大載荷下的總應(yīng)變△s…——最大的應(yīng)變滯后以40CrNiMoA中碳合金結(jié)構(gòu)鋼為例，由于化學(xué)成分一致，其彈性滯后是和它的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān) 不同的回火溫度，得到不同的金相組織。取1／20",應(yīng)力值進(jìn)行試驗(yàn)，其彈性滯后的結(jié)果如表1所示。MdS廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
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影響材料彈性后效(蠕變)大小的因素主要有：
(1)材料的組織結(jié)構(gòu)
(2)熱處理工藝過程
(3)穩(wěn)定處理工藝
(4)工作溫度
(5)最大工作應(yīng)力
仍以常用的40CrNiMoA中碳合金結(jié)構(gòu)鋼為例，取一試件淬火后，500~E真空回火，HRC39，施加1／
2 應(yīng)力值，連續(xù)受力105小時(shí)，伸長只有0．5微米，蠕變非常小 在設(shè)計(jì)稱重傳感器彈性元件時(shí)，如果額定工作應(yīng)力取(1／4—1／3) 則稱重傳感器的蠕變值更小了 因此，對于采用40CrNiMoA錒作彈性元
件的稱重傳感器來講，蠕變大小的決定因素，已不完全在彈性元件本身，還應(yīng)注意應(yīng)變膠、應(yīng)變計(jì)、防潮密封材料及粘貼工藝等
3．應(yīng)力松弛
中溫和高溫稱重傳感器．還應(yīng)注意金屬材料在中、高溫下工作時(shí)的一種彈性后效過程。彈性元件在中、高溫下工作時(shí)，在總的應(yīng)變量恒定的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)而逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛
應(yīng)力松弛率為：
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式中： —— 應(yīng)力松弛率
一初始應(yīng)力
．— — 經(jīng)t時(shí)間后的應(yīng)力對不同材料，在相同條件下，應(yīng)力m愈高，表明該材料的抗應(yīng)力松弛能力愈好。一般都要求彈性元件金屬材料具有較高的抗應(yīng)力松弛能力。
哪、材料的熱彈性效應(yīng)對稱重傳感器性能的影響
1．彈性模量E的溫度系數(shù)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，彈性元件金屬材料原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，結(jié)合力減弱，所以彈性模量E降低。通常用彈性模量溫度系數(shù)BE來表示彈性模量E隨溫度t變化的情況。當(dāng)溫度t變化I'E時(shí)，彈性模量E的相對變化值即為陸用下式表示：MdS廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
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、結(jié)束語
上述國內(nèi)外金屬材料均可用來制造稱重傳感器的彈性元件。具體選用何種材料，要根據(jù)所開發(fā)稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)、額定載荷、冷熱加工裝備及制造技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝裝備及工藝水平等決
定。一般量程在500kg～100t各種結(jié)構(gòu)的彈性元件，多選用40CrNiMoA中碳臺金鋼 制造高精度稱重傳感器時(shí)，除上述基本技術(shù)要求外，還應(yīng)要求原材料低倍組織中的疏松、偏析、氣泡、夾渣等缺陷小于1級，白班不超過0 5級。這樣經(jīng)鍛造、機(jī)械加工和熱處理后的彈性元件，就為傳感器滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)為了提高稱重傳感器的長期穩(wěn)定性，必須在制造工藝中做好以下兩方面的工作。一方面要使彈性元件中的殘余奧氏體盡量少，即在回火過程中使殘余奧氏體盡可能的分解。因?yàn)闅堄鄪W氏體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即由面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，這樣多余的碳原子使晶格歪扭，彈性元件體積漲大．造成尺寸變化。一般多采用500~C真空回火工藝，殘余奧氏體可以小于1％ 另一方面要盡量減少殘余應(yīng)力，除精加工后采用真空回火外，還應(yīng)根據(jù)彈性元件的結(jié)構(gòu)和量程，分別采用高溫處理，低溫深冷，脈動(dòng)疲勞，超載靜壓等釋放和消除殘余應(yīng)力的工藝，最好采用近年來國外一些廠家使用的振動(dòng)或共振時(shí)效新工藝。這樣就可以使稱重傳感器在保證準(zhǔn)確度和優(yōu)良綜合性能的前提下，使長期穩(wěn)定性和工作可靠性有較大提高。由此可見，在稱重傳感器研制過程中，彈性元件金屬材料的選擇，制造技術(shù)和制造工藝的確定是至關(guān)重要的 這也使我們認(rèn)識到了，未來十多年稱重傳感器技術(shù)的競爭，主要是新型結(jié)構(gòu)，新型材料，新型元件，制造技術(shù)和制造工藝的競爭。希望我國的稱重傳感器生產(chǎn)廠家，不僅成為市場競爭的主體，同時(shí)也要成為技術(shù)創(chuàng)新的主體，走出價(jià)格大戰(zhàn)的老路，以“質(zhì)量競爭戰(zhàn)略”．“創(chuàng)新競爭戰(zhàn)略”為指導(dǎo)，把我國的稱重傳感器技術(shù)提高到新水平。
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