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稱重傳感器彈性元件金屬材料的分析與選擇

稱重傳感器彈性元件金屬材料的分析與選擇

時間:2016-04-28 18:21 來源: 作者:廣州南創點擊: 次

一、概述
結構、材料、工藝、檢定是研制和生產高精度稱重傳感器的四大關鍵間題，其中彈性元件的結構是高精度稱重傳感器的基礎，彈性元件的材料是稱重傳感器能否具有高技術性能和穩定性能的關鍵，制造工藝貫穿于生產的全過程是保證稱重傳感器具有優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現質量控制和最終達到各項技術要求的保障。隨著科學技術的進步和稱重傳感器技術的發展，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，除對化學成分和冶煉條件必須嚴格要求外，還應要求具備下列性能：

1 強度極限高，以便在高載荷下稱重傳感器有足夠的強度儲備；

2．彈性極限高，應變與載荷呈比較嚴格的線性關系；

3 彈性模量具有良好的時間穩定性，且溫度系數��；

4．具有小的彈性滯后；

5 彈性后效(蠕變)��；

6 組織均勻，各向同性，冷熱加工后，殘余應力��；

7．沖擊韌性好，以使稱重傳感器有較好的耐沖擊、振動和抗疲勞性能。一般對疲勞壽命的要求是在0～2000×10 應變下，循環次數大于10

8．熱膨脹系數��；

9．鍛造、機械加工和熱處理工藝性能好；

10．具有一定的抗氧化能力。

要使某一種金屬材料同時具備上述各項性能是不可能的，但可以將金屬材料經過某些處理后，使其盡量滿足或接近上述各項性能國內外生產經驗證明，為確保稱重傳感器的準確度和穩定性，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指標，一定要綜合性能良好。在選擇彈性元件金屬材料時，應特別注意材料的彈性模量E，材料的滯彈性效應(彈性滯后、蠕變、應力松弛)和熱彈性效應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

彈性元件材料的彈性模量E的穩定性和溫度系數，直接影響稱重傳感器的準確度和穩定性。在選擇金屬材料時應給以特別關注。

1 在彈性模量E與彈性元件應變區產生的應變s之間的關系上，要求彈性模量E在稱重傳感器額定負荷或安全過負荷以內盡量保持為常數。這樣就能保證外加負荷與應變區的應變值呈較嚴格的線性關系。通常人們都認為金屬材料在比例極限以內，彈性模量E是常數，這是不嚴格的。實際上，僅僅是在一定的范圍內，彈性模量E才比較接近常數。而且采用不同的熱處理規范，彈性模量E為常數的應變的范圍也不同。生產實踐證明中碳臺金結構鋼40CrNiMoA在HRC39，35CrMnSiA在HRC42時，彈性模量E接近常數。

2．在彈性模量E與溫度關系上，要求彈性模量E隨溫度變化時，既要比較線性，又要非常穩定。因為絕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系統誤差，但為便于進行靈敏度溫度補償，還是要求彈性模量E隨溫度變化盡量即線性又穩定為好。

3．在彈性模量E與時間的關系上，要求彈性模量E隨時間的穩定性要好，即要求彈性模量E不隨時間變化。也就是在稱重傳感器使用壽命內彈性模量E盡量不發生變化。由于冷熱加工后存在著殘余應力，一方面，當外界條件稍有變化時，殘余應力將重新分布，使彈性元件產生附加變形，造成稱重傳感器不穩定；另一方面，殘余應力還將使彈性元件在受載過程中出現局部屈服，造成彈性模量E的改變和

不穩定。因此，要求金屬材料在形成彈性元件的冷熱加工后殘余應力要小，并應采取各種機械的和熱處理的方法，釋放、消除殘余應力，盡量保證彈性模量E隨時間變化最小或恒定。

4．在動態稱重狀態下使用的稱重傳感器，還要求在振動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、材料的滯彈性效應對稱重傳感器性能的影響

彈性元件的金屬材料首先應保證其重要性能，即彈性和應力。在交變應力條件下工作的彈性元件應具有較高的強度極限和疲勞極限。為保證稱重傳

感器工作性能穩定，還要求金屬材料抗微塑變形能力強，即具有較高的彈性極限，因為彈性極限愈高，滯彈性效應出現的愈少。稱重傳感器彈性元件的質量，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力，尤其是滯彈性效應。所謂滯彈性，就是材料在彈性變形范圍內，同時伴有微塑變形，使應力和應變之間不遵循虎克定律，而產生非線性誤差，這種現象稱為材料的滯彈性。其表現形式較多，主要有：彈性滯后、彈性后效(蠕變)、應力松弛等。

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，應力應變曲線不重合，而構成一個回線環，即對應同一應力有不同的應變值8和s1，其差值△s=e 一e叫彈性滯后。在不同的應力下，彈性后也不同，一般用最大相對滯后的百分數表示，即R：壘!6…式中：s一——最大載荷下的總應變△s…——最大的應變滯后以40CrNiMoA中碳合金結構鋼為例，由于化學成分一致，其彈性滯后是和它的微觀組織結構有關不同的回火溫度，得到不同的金相組織。取1／20",應力值進行試驗，其彈性滯后的結果如表1所示。

影響材料彈性后效(蠕變)大小的因素主要有：

(1)材料的組織結構

(2)熱處理工藝過程

(3)穩定處理工藝

(4)工作溫度

(5)最大工作應力

仍以常用的40CrNiMoA中碳合金結構鋼為例，取一試件淬火后，500~E真空回火，HRC39，施加1／

2 應力值，連續受力105小時，伸長只有0．5微米，蠕變非常小在設計稱重傳感器彈性元件時，如果額定工作應力取(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，還應注意應變膠、應變計、防潮密封材料及粘貼工藝等

3．應力松弛

中溫和高溫稱重傳感器．還應注意金屬材料在中、高溫下工作時的一種彈性后效過程。彈性元件在中、高溫下工作時，在總的應變量恒定的情況下，應力隨時間的延續而逐漸降低的現象稱為應力松弛

應力松弛率為：

式中： —— 應力松弛率

一初始應力

．— — 經t時間后的應力對不同材料，在相同條件下，應力m愈高，表明該材料的抗應力松弛能力愈好。一般都要求彈性元件金屬材料具有較高的抗應力松弛能力。

哪、材料的熱彈性效應對稱重傳感器性能的影響

1．彈性模量E的溫度系數當環境溫度升高時，彈性元件金屬材料原子的熱運動加劇，結合力減弱，所以彈性模量E降低。通常用彈性模量溫度系數BE來表示彈性模量E隨溫度t變化的情況。當溫度t變化I'E時，彈性模量E的相對變化值即為陸用下式表示：

、結束語

上述國內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，要根據所開發稱重傳感器彈性元件的結構、額定載荷、冷熱加工裝備及制造技術水平、生產工藝裝備及工藝水平等決

定。一般量程在500kg～100t各種結構的彈性元件，多選用40CrNiMoA中碳臺金鋼制造高精度稱重傳感器時，除上述基本技術要求外，還應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。這樣經鍛造、機械加工和熱處理后的彈性元件，就為傳感器滿足各項技術指標打下了堅實的基礎為了提高稱重傳感器的長期穩定性，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。因為殘余奧氏體會逐漸轉變為馬氏體，即由面心立方結構轉變為體心立方結構，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力，除精加工后采用真空回火外，還應根據彈性元件的結構和量程，分別采用高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等釋放和消除殘余應力的工藝，最好采用近年來國外一些廠家使用的振動或共振時效新工藝。這樣就可以使稱重傳感器在保證準確度和優良綜合性能的前提下，使長期穩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，制造技術和制造工藝的確定是至關重要的這也使我們認識到了，未來十多年稱重傳感器技術的競爭，主要是新型結構，新型材料，新型元件，制造技術和制造工藝的競爭。希望我國的稱重傳感器生產廠家，不僅成為市場競爭的主體，同時也要成為技術創新的主體，走出價格大戰的老路，以“質量競爭戰略”．“創新競爭戰略”為指導，把我國的稱重傳感器技術提高到新水平。

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