铍青铜C17500应力松弛特性研究

王建平; 郭孟飞; 梁晓; 郝晨星; 朱牛顿

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20190140

铍青铜C17500应力松弛特性研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190140

西安理工大学, 机械与精密仪器工程学院, 西安 710048

基金项目:

国家自然科学基金项目 51275408

西安市科技计划项目2017080CG/RC043 XALG003

详细信息

作者简介:
王建平(1970-), 副教授、博士后, 研究方向为非线性系统动力学和机床运行可靠性理论与测试, wangjianping@xaut.edu.cn

中图分类号: TH114
计量
- 文章访问数: 530
- HTML全文浏览量: 341
- PDF下载量: 27
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2019-03-08
- 刊出日期: 2020-03-05

Experimental Study on Stress Relaxation Behavior of Beryllium Bronze C17500

Faculty of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

摘要

摘要: 铍青铜C17500作为超导材料用于电力连接器的弹簧触指。为了预防弹簧触指的应力松弛现象，从铍青铜材料本身应力松弛特性入手研究，建立基于Norton蠕变理论的单轴应力松弛模型，并结合Arrhenius理论进行模型改进。通过不同载荷和不同温度下的铍青铜应力松弛试验，拟合出改进的应力松弛本构方程，得出不同载荷和不同温度下模型参数的预测曲线，依据预测曲线实现对铍青铜材料在特定温度下不同应力水平的应力松弛特性分析。
- 铍青铜C17500 /
- 弹簧触指 /
- 蠕变 /
- 应力松弛 /
- Arrhenius理论 /
- 材料强度 /
- /
Abstract: In order to prevent the stress relaxation of the spring contact fingers in power connector, a uniaxial stress relaxation model based on the Norton creep theory is established to prevent the stress relaxation behavior of beryllium bronze C17500. And a model improvement is carried out in combination with the Arrhenius theory. The modified stress relaxation constitutive equation is fitted through the stress relaxation test of the metal bronze under different loads and different temperatures. The predicted curves of the model parameters at different loads and different temperatures are obtained. The stress relaxation characteristic analysis on different stress levels at a specific temperature is realized according to the prediction curve.
- beryllium bronze C17500 /
- spring finger /
- creep /
- stress relaxation /
- Arrhenius theory /
- strength of materials /
- constitutive equation /
- test

HTML全文

图 1 蠕变与应力松弛关系示意图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 铍青铜C17500棒材试件二维加工图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 不同温度下铍青铜C17500的应力应变曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 铍青铜C17500恒温不同载荷下松弛曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 恒温不同载荷下的模型参数预测曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 200 ℃、220 MPa下试验曲线和理论预测曲线对比

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 铍青铜C17500恒载不同温度下的松弛曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 恒载不同温度下的模型参数预测曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 在70 ℃、200 MPa的试验曲线和预测曲线对比

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 铍青铜C17500化学成分表

Cu	Be	Fe	Mg	Si
余量	0.25~0.4	0.1	0.02	0.2

下载: 导出CSV

表 2 铍青铜C17500物理性能和力学特性

密度/ (kg·m^-3)	弹性模量/GPa	热膨胀系数/℃^-1	热传导系数/ (W·(mg℃)-1)	屈服强度/MPa	延伸效率/%
8 830	138	1.76×10^-6	208	951	14

下载: 导出CSV

表 3 恒温不同载荷下的松弛模型参数

试验载荷/ MPa	松弛极限/ MPa	材料参数	温度参数	应力指数
200	46.58	7.2×10^-3	3 250.68	2.670 8
175	69.99	6.2×10^-4	3 250.98	3.150 4
150	77.33	2.9×10^-5	3 250.49	3.681 2
125	80.54	1.25×10^-6	3 250.51	4.322 7
100	82.51	1.66×10^-7	3 250.26	5.115 2

下载: 导出CSV

表 4 预测曲线拟合表达式

曲线	表达式	相关系数
	y=1.711x-9.339	0.993
lnB₀-lnσ₀	y=18.47x-102.8	0.999
n-lnσ₀	y=-3.415x+20.79	0.999

下载: 导出CSV

表 5 200 ℃、220 MPa下的松弛模型参数

松弛极限	材料参数	温度参数	应力指数
28.54 MPa	0.041 6	3 250.65	2.370 9

下载: 导出CSV

表 6 恒载200 MPa不同温度下的模型参数表

试验温度/ ℃	松弛极限/ MPa	材料参数	温度参数	应力指数
200	46.5	7.2×10^-3	3 250.67	2.670 8
175	66.95	1.18×10^-4	2 549.64	2.670 8
150	80.15	2.21×10^-5	1 729.36	2.670 8
125	89.33	5.49×10^-7	1 083.71	2.670 8
100	120.1	3.34×10^-8	581.604	2.670 8

下载: 导出CSV

表 7 恒载不同温度下的预测曲线拟合表达式

曲线	表达式	相关参数
	y=-124x+0.331 5	0.963
	y=-2 466x+7.061	0.997
	y=6.058×10⁵x-6 043	0.997

下载: 导出CSV

参考文献(18)

[1]	Balsells P. Use of an axial canted coil spring as an electrical contact to minimize resistivity variations under dynamic loads: US, EP20050736845[P]. 2013-05-22
[2]	Joshua Kompa. Canted coil spring with longitudinal component[J]. Sealing Technology, 2015, (8):14
[3]	李健.浅析弹簧触指在GIS中的应用[J].高压电器, 2007, 43(6):438-439 doi: 10.3969/j.issn.1001-1609.2007.06.011 Li J. Application of the canted coil spring to GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2007, 43(6):438-439(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-1609.2007.06.011
[4]	Park J E, Lee S H. Study on the friction characteristics of canted coil spring for gas insulated circuit breaker[C]//Proceedings of the 3rd International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology. Busan, South Korea: IEEE, 2015: 407-409
[5]	赵伯华.松弛与蠕变力学特性转换关系的研究[J].实验力学, 1995, 10(2):140-144 http://www.cqvip.com/qk/91138X/199502/1880033.html Zhao B H. Conversion relations between relaxation and creep[J]. Journal of Experimental Mechanics, 1995, 10(2):140-144(in Chinese) http://www.cqvip.com/qk/91138X/199502/1880033.html
[6]	穆英霞.蠕变力学[M].西安:西安交通大学出版社, 1989 Mu Y X. Creep mechanics[M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 1989(in Chinese)
[7]	尹旭妮, 湛利华, 赵俊.2219铝合金稳态蠕变本构方程的建立[J].中国有色金属学报, 2014, 24(9):2250-2256 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgysjsxb201409008 Yin X N, Zhan L H, Zhao J. Establishment of steady creep constitutive equation of 2219 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(9):2250-2256(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgysjsxb201409008
[8]	湛利华, 王萌, 黄明辉.基于蠕变公式的时效应力松弛行为预测模型[J].机械工程学报, 2013, 49(10):70-76 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201310010 Zhan L H, Wang M, Huang M H. Prediction model for aging stress-relaxation behavior based on creep equations[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(10):70-76(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201310010
[9]	Zhang C, Li X Q, Li D S, et al. Modelization and comparison of Norton-Hoff and Arrhenius constitutive laws to predict hot tensile behavior of Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22 Suppl 2:S457-S464
[10]	马世博, 侯瑞东, 闫华军, 等.Q345钢的热变形Arrhenius本构模型研究[J].热加工工艺, 2017, 46(16): 56-59 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=rjggy201716014 Ma S B, Hou R D, Yan H J, et al. Study on hot deformation constitutive model of Q345 steel[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(16): 56-59(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=rjggy201716014
[11]	程先云, 张伟, 胡淑彦, 等.优化·拟合·建模:1stOpt应用详解[M].北京:中国建材工业出版社, 2012 Cheng X Y, Zhang W, Hu S Y, et al. Optimal fitting modeling: 1stOpt application detailed solution[M]. Beijing: China Building Materials Press, 2012(in Chinese)
[12]	金尧, 魏楠.金属高温应力松弛行为研究[J].机械强度, 1997, 19(3):57-60 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JXQD703.014.htm Jin Y, Wei N. Research on stress relaxation of metals at elevated temperature[J]. Journal of Mechanical Strength, 1997, 19(3):57-60(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JXQD703.014.htm
[13]	张力文, 钟玉平.金属高温蠕变理论研究进展及应用[J].材料导报, 2015, 29(S1): 409-416 Zhang L W, Zhong Y P. Development and application of metal creep theory method under high temperature[J]. Materials Review, 2015, 29(S1):409-416(in Chinese)
[14]	Altenbach H, Gorash Y, Naumenko K. Steady-state creep of a pressurized thick cylinder in both the linear and the power law ranges[J]. Acta Mechanica, 2008, 195(1-4):263-274 doi: 10.1007/s00707-007-0546-5
[15]	李忆莲, 韩雅静.铍青铜应力松驰性能及组织研究[C]//中国电子学会生产技术分会第五届金属材料及热处理年会论文集.陕西宝鸡: 中国电子学会生产技术分会, 1994: 39-47 Li Y L, Han Y J. Study on stress relaxation properties and microstructure of beryllium bronze[C]//Proceedings of the Fifth Annual meeting of Metal Materials and Heat Treatment, Production Technology Branch of China Electronic Society. Shaanxi Baoji: Production technology branch of China Electronics Society, 1994: 39-47(in Chinese)
[16]	李久林, 梁新邦.GB/T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法国家标准编制说明[J].冶金标准化与质量, 1998, (3):4-8 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800670832 Li J L, Liang X B. Preparation of national standard for creep and rupture Test of GB/T2039-1997 Metal[J]. Metallurgical Standardization & Quality, 1998, (3):4-8(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800670832
[17]	尹西岳.温度、应力加速试验对螺旋压缩弹簧应力松弛行为的影响[D].天津: 天津大学, 2012 Yin X Y. Effects of temperature and stress acceleration testing on stress relaxation behavior of helical compress spring[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012(in Chinese)
[18]	Sinha N K, Sinha S. Stress relaxation at high temperatures and the role of delayed elasticity[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 393(1-2):179-190 doi: 10.1016/j.msea.2004.10.003