Почему при температурах выше 150 °C в соединителях из бериллиевой меди происходит релаксация напряжений? 

Благодаря высокой прочности и превосходной упругости бериллиевая медь (C17200) является материалом первого выбора для изготовления пружинных пластин соединителей, пружинных клемм и высоконадежных разъемов. Однако при температуре окружающей среды свыше 150 °C и длительной эксплуатации контактное усилие разъема со временем снижается — это и есть явление релаксации напряжений (Stress Relaxation). В данной статье на основе механизмов поведения материала объясняется, как высокая температура ускоряет релаксацию напряжений в разъемах из бериллиевой меди, а также приводятся рекомендации по улучшению выбора материалов и конструкции.
I. В чем заключается суть релаксации напряжений
Релаксация напряжений — это явление, при котором внутренние напряжения в материате постепенно ослабевают со временем при постоянной общей деформации. После штамповки пружинные пластины разъема подвергаются упругой деформации и поддерживают давление соприкосновения с сопряженной деталью за счет силы отскока. В условиях высокой температуры напряжения, изначально накопленные в виде упругой деформации, постепенно преобразуются в пластическую деформацию, что приводит к снижению контактного усилия и увеличению контактного сопротивления, что в конечном итоге может вызвать прерывание сигнала или локальный перегрев.

II. Четыре основные причины ускорения релаксации напряжений при температурах выше 150 °C
1. Укрупнение упрочняющих фаз выделения
Прочность бериллиевой меди в основном обеспечивается фазой γ’ (CuBe), выделяющейся в процессе старения. При температуре выше 150 °C эти наноразмерные фазы выделения подвергаются термической активации и укрупнению: их размеры увеличиваются с мелких дисперсных частиц, характерных для пикового состояния старения, до 20–50 нм и даже больше. После укрупнения фаз выделения их способность фиксировать диффузионные дефекты ослабевает, прочность материала снижается, а способность к упругому восстановлению соответственно уменьшается.
2. Скольжение диффузионных дефектов и термическое восстановление
Повышение температуры значительно увеличивает амплитуду тепловых колебаний атомов, способствуя ползучести диффузионных дефектов, перекрестному скольжению и их аннигиляции. Снижение плотности диффузионных дефектов означает ослабление синергетического эффекта деформационного упрочнения и упрочнения выделением, в результате чего материал становится более подверженным пластическому течению. Эксперименты показывают, что скорость релаксации напряжений в бериллитовой меди растёт экспоненциально с повышением температуры, причём ускорение становится особенно заметным при температуре выше 125 °C.
3. Снятие остаточных напряжений после штамповки
После холодной обработки, такой как штамповка и гибка, на поверхности и в острых углах пружинных пластин разъемов остается значительное количество внутренних напряжений. Эти остаточные напряжения находятся в метастабильном состоянии при комнатной температуре, но при температуре выше 150 °C быстро высвобождаются и суммируются с рабочими напряжениями, что приводит к повышению уровня локальных фактических напряжений и дальнейшему ускорению релаксации.
4. Приближение к температуре старения или превышение её
Температура старения C17200 обычно составляет 315–350 °C. 150 °C значительно ниже температуры старения, но все же относится к диапазону, в котором наблюдается значительная термическая активация. Если материал уже находится в состоянии перестарения или неравномерное распределение температуры в процессе эксплуатации приводит к локальному перегреву, стабильность фаз выделения еще больше снижается, а сопротивляемость релаксации соответственно ухудшается.

III. Как оценивать и улучшать
В инженерной практике для оценки сопротивления расслаблению материалов соединителей обычно используется коэффициент сохранения напряжения при 150 °C в течение 1000 ч. Материал C17200 в оптимизированном состоянии старения способен сохранять более 85 % исходного напряжения, что значительно превосходит показатели фосфорной бронзы и сплава Корсона.
Таблица 1. Сравнение сопротивления расслаблению при 150 °C для распространенных материалов соединителей

Меры по улучшению
Материалы: выбрать сплав C17200 с высоким содержанием берия и обеспечить пиковую старению; в условиях длительного воздействия высоких температур можно применять слегка перестаревание для получения более стабильной фазы выделения. Технология: после штамповки и гибки добавить низкотемпературный отпуск для снятия напряжений, чтобы уменьшить остаточные напряжения; контролировать острые углы и концентрацию напряжений. Конструктивные меры: снизить уровень фактических рабочих напряжений пружинной пластины, предусмотреть достаточный запас контактного усилия, избегать длительной эксплуатации при высоких деформациях.

Заключение
Температуры выше 150 °C ускоряют релаксацию напряжений в бериллиево-медных соединителях; основными механизмами этого явления являются укрупнение фаз выделения, термическое восстановление дислокаций, высвобождение остаточных напряжений, а также возможное ухудшение состояния после термообработки. Благодаря оптимизации процесса старения, контролю остаточных напряжений, возникающих при холодной обработке, и рациональному проектированию деформации пружинных пластин можно поддерживать стабильное усилие контакта в условиях высоких температур. При выборе модели рекомендуется запросить отчет об испытаниях материала на релаксацию напряжений и использовать коэффициент удержания при 150 °C в течение 1000 ч в качестве ключевого приемного показателя.