弹簧力学性能

1、弹簧钢丝和弹性合金丝(上)东北特殊钢集团大连钢丝制品公司 徐效谦弹性材料是机械和仪表制造业广泛采用的制作各种零件和元件的基础材料，它在各类机械和仪表 中的主要作用有：通过变形来吸收振动和冲击能量，缓和机械或零部件的震动和冲击；利用自身形变 时所储存的能量来控制机械或零部件的运动；实现介质隔离、密封、软轴连接等功能。还可以利用弹 性材料的弹性、耐蚀性、导磁、导电性等物理特性，制成仪器、仪表元件，将压力、张力、温度等物 理量转换成位移量，以便对这些物理量进行测量或控制。1弹性材料的分类按化学成分分类弹性材料可分为：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢、铁基弹性合金、镍基弹性合金、钻基 弹性合金等。按

2、使用特性分类根据弹性材料使用特性，可作如下分类：1.2.1 通用弹簧钢(1) 形变强化弹簧钢：碳素弹簧钢丝。(2) 马氏体强化弹簧钢：油淬火回火钢丝。(3) 综合强化弹簧钢：沉淀硬化不锈钢丝1.2.2 弹性合金(1) 耐蚀高弹性合金(2) 高温高弹性合金(3) 恒弹性合金(4) 具有特殊机械性能、物理性能的弹性合金2弹簧钢和弹性合金的主要性能指标弹性模量钢丝在拉力作用下产生变形，当拉力不超过一定值时，变形大小与外力成正比，通常称为虎克定 律。公式如下：& = (T /E式中 应变(变形大小)T应力(外力大小) E 拉伸弹性模量拉伸弹性模量(又称为杨氏弹性模量或弹性模量)是衡量金属材料产生弹性变

3、形难易程度的指标， 不同牌号弹性模量各不相同，同一牌号的弹性模量基本是一个常数。工程上除表示金属抵抗拉力变形能力的弹性模量外(E),还经常用到表示金属抵抗切应力变形能力的切变弹性模量(G)。拉伸弹性模量与切变弹性模量之间有一固定关系：G =一，称为泊桑比，同一牌号的泊桑2(1 )比是一定数，弹性材料的值一般在1/31/4之间。卩=竺，扭转螺旋弹簧的8nDE和G是弹簧设计时两个重要技术参数（拉压螺旋弹簧的轴向载荷力刚度P= Ed ）。冷拉碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的E和G值如表1。64 nD表1弹簧钢的E和G值材料名称E (Mpa)G (Mpa)冷拉碳素弹簧（65Mn,70 ）196500198

4、6007860080670冷拉碳素弹簧（T8MnA,T9A ）193000203400800008270050CrV1965007720055CrSi2034007720060Si2MnA2000007410060Si2CrVA20580030W4Cr2V2058001Cr13Ni2 (414)200000772003Cr13 (420)200000772001Cr17Ni2(431)206000773001Cr18Ni9(302)193000689500Cr17Ni7Al20340075840弹性极限和屈服极限钢丝在弹性范围内承受外力产生一定变形，外力消除钢丝恢复原状，钢丝不产生永久残余变形

5、所 能承受的最大应力称为弹性极限。弹性极限高的钢丝弹力大，根据弹簧使用状态，影响弹力的弹性极限可分为扭转弹性极限（Te）和拉伸弹性极限（艮）两种。压缩拉伸螺旋弹簧用到扭转弹性极限，弹簧垫和板弹簧用到拉伸弹性极限。弹簧一项重要功能是吸收和储存能量，吸收和储存的能量称为变形能。弹簧的变形能与弹性极限 的平方成正比（U=2 T e2/2G或U=2Re2/2E）,所以说弹性极限对弹簧特性有很大的影响。钢丝在拉伸试验中很难精确地测出其弹性极限，一般用屈服极限衡量弹性极限。屈服极限（ReL）指钢丝在拉伸过程中开始产生不可恢复的塑性变形时的最小应力。碳素弹簧钢丝 屈服点非常不明显，通常取钢丝产生勺残余变形时

6、的应力作为屈服极限（）。钢丝在退火或固溶条件下，弹性极限和屈服极限很接近，经大减面率拉拔后或经淬火后的钢丝， 由于内应力作用往往有很高的屈服极限，但弹簧极限却很低。只有经消除应力退火或回火处理后的钢 丝弹性极限才接近屈服极限。2,弹性极限一般与抗拉强度有一定比例关系。常见弹簧钢的拉伸弹性极限和扭转弹性极限如表表2弹性极限为抗拉强度的百分比（% ）材料名称拉伸弹性极限扭转弹性极限冷拉碳素弹簧钢丝607545 55油淬火回火碳素弹簧钢丝80 9045 55油淬火回火65Mn85 9050 6050CrV （油淬火回火）88 93657555CrSi （油淬火回火）88 93657560Si2MnA

7、78 8655 651Cr13Ni2(414)657042 553Cr13 (420)657545 551Cr17Ni2(431)72 7650 551Cr18Ni9(302)657545 550Cr17Ni7AI75 8555 60抗拉强度和屈服比抗拉强度是衡量钢丝承受拉力能力的指标，拉力试验中以钢丝拉断时最大拉力除以钢丝截面积来 表示。抗拉强度是弹簧钢丝最重要指标。屈服极限与抗拉强度的比值，称为屈强比，也是衡量弹簧钢丝质量水平的一项重要指标。碳素弹 簧钢丝和合金弹簧钢退火状态下的屈强比大约为50%奥氏体不锈钢固溶状态下的屈强比一般不超过40%冷拉过程中钢丝屈服极限和抗拉强度同时上升，但屈服

8、极限上升幅度远大于抗拉强度，碳素和不 锈弹簧钢丝的屈服比高达 90%以上。合金弹簧钢丝淬火回火后的屈服比也达到8090%疲劳寿命和疲劳极限弹性元件在交变载荷作用下，经若干次动作产生裂纹叫疲劳断裂。弹性元件断裂时完成动作次数 多，叫疲劳寿命好，反之叫疲劳寿命差。实际上弹性元件疲劳寿命与载荷的大小、方向、随时间变化规律有很大关系。在载荷大、振幅大 条件下，弹性元件断裂的循环次数就降低，工程中用疲劳极限来衡量弹簧钢丝的疲劳性能好坏，一般 将经107次循环动作，不产生断裂时的最大负载应力叫疲劳极限。弹簧钢丝的疲劳极限与钢丝的屈服极限成正比，要提高疲劳极限就应设法提高钢丝屈服强度，或 提高屈强比。介绍几

9、个预测疲劳寿命的经验公式：(T -1 =(T -1p =T -1 =式中：T -1反复弯曲疲劳极限T -1p反复拉压疲劳极限T -1反复扭转疲劳极限疲劳断裂往往先从钢丝表面形成，并向内部传播，表面质量非常重要。钢丝表面裂纹、划伤、边 刺、斑疤、麻点、锈蚀坑和锈蚀皮都会造成钢丝疲劳极限下降。提高表面光洁度和采用工艺措施提高钢丝表面强度是提高疲劳极限的有效方法。因此对疲劳寿命 要求高的用户，应推荐选用磨光钢丝。弹簧厂对弹簧表面进行渗氮处理、喷丸处理和压光处理，目的 是通过提高表面强度来提高疲劳极限。钢丝表面脱碳造成表面强度降低，很薄的脱碳层也会导致疲劳极限的急剧下降。碳素弹簧钢丝采 用连续炉热处理

10、，在炉时间为数分钟，产生脱碳的可能性很小。合金弹簧采用周期炉热处理，在炉时 间以小时计算，防止脱碳是工艺控制的重点。蠕变和松弛在弹簧的两端施加一定的拉应力（低于弹性极限） ，弹簧产生一定的伸长，但随着时间加长，伸长 量缓慢增加，叫做蠕变。钢丝蠕变往往经历从缓慢变化到加速变化，直至断裂的过程。钢丝蠕变在常 温下不明显，但随温度升高而加速。工程上用弹簧在一定温度，持续一段时间，产生一定量变形所施 加的应力来定义蠕变极限。如2駕2/10000=A表示弹簧在温度 200C，持续一小时，产生 溺变，需施加A（ MPa的应力。使弹簧产生一定量的变形，就产生一定量的应力，但随着时间的持续，应力逐渐减小，叫做

11、应力 松弛。例如用螺栓压紧个零件，需转动螺帽使螺栓拉长，产生一定的弹性变形，形成相应的压应力。 在较高温度下，经过一段时间后，虽然螺栓位置不变，但压应力逐渐减小，就叫应力松弛。松弛是随 时间持续部分弹性变形转化为塑性变形造成的。松弛有几种表示方法：松弛率：经过一段时间，应力减小值与原始应力之比，即（R-Rn/Ro）X 100%残余应力：一般指 105小时后的残余应力 R, R越高说明材料抗松弛性能越好。 蠕变和松弛都是衡量弹簧稳定性的指标，共同特点是随温度升高、时间加长，表现的越加明显。影响蠕变性能的因素有：钢中气体和夹杂物含量：含量低蠕变小。晶粒度：粗晶粒度钢有较 高的抗蠕变能力。合金元素的

12、固溶强化作用：采用少量多元合金可提高抗蠕变性能。第二相弥散 析出可提高抗蠕变性能。松弛是弹性滞后的一种反映。主要取决于钢的化学成分和组织结构。弹性减退弹性减退 （简称弹减性 ） 是指室温下，弹性材料在交变动载荷或静载荷作用下，发生塑性变形的一 种力学现象。弹减性与蠕变和松驰的差别在于：蠕变是指在恒定应力作用下，应变缓慢增加；松弛是 指恒应变条件下的应力自发下降；弹减性是指交变载荷下的应力减退。因此可以说，蠕变和松驰是特 定条件下的弹性减退，三者反映出材料的同一本质特性。大多数弹簧工作时应力和应变均发生变化， 因此弹性减退是弹簧使用过程中最常见现象。评定弹性减退的实验方法有两类：成品弹簧直接评定

13、和试样间接评定。以螺旋弹簧为例，检测弹减性的步骤为：先施加载荷 P,将弹簧压至最低高度 Hnin （约为弹簧自由高度 H的1/4 ）后卸载，测 得自由高度H;将弹簧压缩到某一规定高度H2 （约为H的2/3 ），记下所需载荷Pi;卸掉弹簧载荷P1后，再重新加载荷，将弹簧压缩至最低高度Hmin，保持较长时间，如72h或更长时间（根据材料的弹减抗力、弹簧参数及 Hmin等因素确定）；卸载后测定此时弹簧的自由高度H；最后再将弹簧压缩至规定高度记下所需载荷P2；计算出弹簧自由高度的损失厶H和承载能力降低值 P： H=H-H3 P=R-P2根据 H和厶P的大小判定弹性材料的弹减抗力，H和厶P越小，弹减抗力

14、越大。此外，成品弹簧弹减性检测方法还有：动态松驰试验法和螺旋弹簧剪切试验法等。试样间接评定基本采用金属拉伸 试样,检测方法有：拉伸松驰试验法、鲍辛格（ Baushinger ）扭转试验法、鲍辛格拉、压试验法和扭 转蠕变试验法。一般说来,弹簧实物检测接近使用实际,检测结果直观、实用,但不同形状弹簧检测 结果没有可比性。试样检测结果一般为一组数据或曲线图,能反映出材料的弹减性、有可比性,但检测步骤复杂、周期长、需要配置专用的检测设备。弹性的时间效应除蠕变、松弛和弹性减退性能外，反映弹性时间效应的技术指标有：(1) 弹性滞后弹性材料在弹性变形范围内，反复加载和卸载，应变总是落后于应力变化，叫弹性滞后

15、。对于仪表用弹性元件(如张力丝、膜盒)，弹性滞后可能导致仪表给出不同的读数，所以要求弹性滞后越小 越好。(2) 弹性后效弹性元件加载荷后产生应变 e(见图1),载荷持续一段时间后应变量增加 t ,则弹性后效为 H。Hi= t/( e+ t )加载时的Hi为正弹性后效，卸载时 Hi为反弹性后效。测量弹性后效时，以加载和卸载 10分钟时测量结果进行计算。碳素弹簧钢的弹性后效值高达30%弹性合金3J53弹性后效值可低到 %图1单向循环载荷的弹性滞后环弹性的能量效应弹性元件周期振动时，应变滞后于应力，使应力、应变曲线出现滞 后环(图1)。滞后环所包围的面积等于振动一周消耗的能量，这些能量 转化为热量散

16、失，这种现象称为内耗或阻尼，用Q1表示。它的倒数称为机械品质因数，用Q表示。在实际应用中，对金属材料的内耗特性有 不同要求，用于减震的弹簧，要求材料有尽量能大的内耗值，以尽快减少共振时的应力幅度。用于滤波器中振子和音叉振荡器的弹性元件，要内耗越小越好，即机械品质因素越大越好。 金属材料内耗主要取决于化 学成分及组织结构，但冷加工使内耗增加，退火使内耗降低。弹性的温度效应(1)最高使用温度弹性材料必须在弹性极限范围内使用，当使用应力超过弹性极限时，弹簧失效。金属和合金的抗 拉强度和弹性极限随着温度上升而下降，同时随着温度的上升，材料的蠕变或松弛加大，弹簧变形加 大，弹性减退。当温度高到一定限度，

17、弹簧就无法使用了，所以弹性材料都存在着最高允许使用温度 的限制。弹簧钢丝和弹性合金丝的最高使用温度主要取决于材料的化学成分，其次是显微组织结构。 常用弹性材料的最高使用温度如表3。表3常用弹性材料的最高使用温度牌号最高使用温度厂c牌号最高使用温度/c冷拉碳素弹簧钢丝12016030W4Cr2V500油淬火回火碳素弹簧钢丝1753Cr2W8V35050050CrVA2002203Cr1331555CrSiA2452501Cr18Ni9(302)30060Si2MnA2500Cr17Ni7AI(17-7PH)34060Si2CrVA3500Cr15Ni7Mo2AI(PH15-7Mo)43065Si

18、2MnWA3500Cr15Ni25Ti2MoVB(GH2132)500 55045CrMoVA4500Cr15Ni35W2Mo2Ti2AI2B(GH2135)550 600(2)弹性模量温度系数反映弹性温度效应的指标还有弹性模量温度系数和频率温度系数。碳素弹簧钢和合金弹簧钢温度 系数比较大，实际使用中很少用到这一概念。对于制作仪器仪表用弹性敏感元件的弹性合金丝来说， 弹性模量温度系数和频率温度系数是两项非常重要指标。大多数金属和合金的弹性模量E和切变弹性模量 G是随着温度升高而下降的，这种变化被称为弹性模量-温度关系的正常变化。可以分别用Be和B g来表示E和G的弹性模量温度系数，弹性合金标准

19、经常用到某一温度区间的弹性模量温度系数，其定义为：EE=E(t2 tjB G=GG(t2 tl)式中：B E弹性模量温度系数,10-6x/C22B G 切变弹性模量温度系数，X10-6/C tl、t2温度，C o金属和合金的弹性模量温度系数与线膨胀系数()一样，是与原子间距变化密切相关的物理量，两者之间的比值是一个常数，即m。一般金属和合金(部分铁磁性合金除外)的 m大约在(40E42) X 10-3左右，所以在温度变化范围不太大时，可以按值近似地估算出B e的值。因为G=一E一 ,2(1 )是随着温度升高而增加的，B G值一般小于B E值。(3) 频率温度系数用弹性材料制作的一些弹性元件，如

20、滤波振子和音叉等，工作时要用到频率温度系数这项性能，常用f来表示。弹性材料的共振频率频率温度系数是衡量材料的共振频率随温度变化状况的物理量, 与弹性模量之间有如下关系:式中：E 弹性模量fr 共振频率l弹性试样长度d 弹性试样直径k 常数由上式可以导出频率温度系数与弹性模量温度系数之间的关系:弯曲振动时的频率温度系数:扭振动时的频率温度系数:式中：一线膨胀系数(4) 铁磁性金属和合金的弹性反常变化(B E v 0=，而纯镍和部分Fe-Ni ,般金属和合金的弹性模量和共振频率是随温度上升而降低的2Fe-Cr-Co合金在室温附近的弹性模量变化很小（3 e 0），甚至增大（3 e0），这种现象被称为

21、弹性反常变化。弹性反常变化原因是：在一定的温度范围内，材料内部组织结构发生了额外的尺寸或体积变 化，如相变、有序无序转变和铁磁性能变化等。恒弹性合金正是利用铁磁合金弹性反常变化规律研制 出来的一类弹性材料。弹簧钢丝工艺性能指标弹簧绕制过程中钢丝承受弯曲、扭转和缠绕三种力，与此对应成品钢丝需进行弯曲、扭转和缠绕 三项试验。（1 ）弯曲试验弯曲试验方法有了两种：单次弯曲和反复弯曲。单次弯曲适用于直径较大的钢丝（6.0mm），试样沿r=10mm的圆弧向不同方向弯曲 90，钢丝不得有裂纹和折断。反复弯曲试验是将试样一端夹紧，沿着规定半径的圆柱形表面弯曲90,然后向相反方向反复弯曲，直至断裂，记下反复弯

22、曲次数 （Nb）。钢丝弯曲次数和弯曲半径（圆柱半径）密切相关，弯曲半径增大，弯曲次数显着提高。GB/T238-2002金属材料 线材反复弯曲试验方法规定，不同规格钢丝弯曲圆弧半径如表4。表4钢丝弯曲试验的弯曲半径、距离和孔径钢丝直径mm弯曲圆弧半径r拨杆距离h拨杆孔直径dg1515152020和25和1035和1550和20 75和25 100和注：应根据线材直径选用合适的拨杆孔直径，保证线材在孔内自由移动反复弯曲试验的实质是：检验钢丝在一个平面内进次多次反向弯曲时所能承受的变形能力。钢丝（Ab）可用公式表示:沿弯曲圆柱弯曲时，外层表面会产生一定的延伸变形，其弯曲伸长率2r式中：A弯曲伸长率d

23、钢丝直径20%确定的，每一组距钢丝对应（Ab=12%- 15%），弯曲次数最高。随检验标准中的弯曲圆柱的半径是按钢丝外层表面弯曲伸长率不超过定的圆柱半径。在同一组距中，直径最细的钢丝弯曲伸长率最小着钢丝直径加大，钢丝弯曲伸长率加大（max20%）,弯曲次数均匀下降，一直过渡到下一个较大弯曲圆柱半径为止。同一规格钢丝在不同弯曲半径条件下弯曲次数可以用经验公式来换算：（2ri d） NbiS d）2 N2式中：ri、2弯曲半径Nbi、Nb弯曲次数从公式可以看出，弯曲半径对弯曲次数有决定性的影响，实际检验过程中因弯曲圆柱面不均匀磨 损，弯曲半径又很难检定，同一组钢丝在不同部门，不同弯曲机上的检测结果

24、往往有很大误差，所以 碳素弹簧钢丝国家标准 （GB4357-84）中早己取消了该项检验。碳素弹簧钢丝弯曲值随抗拉强度提高而增加，而矫直和消除应力退火导致弯曲值下降。（2）扭转试验扭转性能是冷拉碳素弹簧钢丝的一项重要的考核指标。扭转试验实质是：沿中心旋转钢丝，使钢丝截面从里到外产生不均匀变形，离中心越远处承受的扭矩越大，当变形应力累加到超过承受能力时，钢丝断裂。如果钢丝截面组织、成分均匀，无缺陷，扭转断口平齐，垂直或近似垂直于轴线；如果截 面组织、成分不均匀，有明显缺陷，扭转断口呈不规则的层状或撕裂状。根据扭转变形特征可以看出， 扭转次数与钢丝直径密切相关，大规格钢丝截面扭矩差别大，不均匀变形更

25、强烈，能承受的扭转次数 偏低；小规格钢丝能承受的扭转次数明显偏高。通过分析还可以看出：扭转试验主要考核钢丝表面质量和内部应力分布状态。钢丝表面裂纹、边 刺、斑疤和折叠会导致扭转次数大幅度下降。内部应力分布不均或钢丝拉拔时冷却不当、润滑不良、 模具不好导致钢丝温升过高，产生时效应变都会使扭转性能显着降低。从工艺操作角度分析，增加拉 拔道次、小减面率（10%）改修都能改变钢丝内部应力分布状态，提高扭转次数。从组织结构角度分析,加大晶粒度或提高索氏体片的厚度可以提高扭转值，实际操作就是降低铅浴处理的收线速度、提高炉 温和铅温。钢丝的扭转次数可以用以下公式预测：Nt=d X 书 X e 沁 x（书-书

26、 Fe3C）2式中：N 扭转次数预测值；L扭转试样长度（mm ；d钢丝直径（mr）;2变形指数（2 =2 X In才）；2 Fe3C Fe3C真实变形指数。从公式中可以看出扭转次数与扭转试样长度（扭距）成正比，与钢丝直径成反比。预测值与实际值约有土 12%的偏差。GB/T239-1999金属线材扭转试验方法规定产品标准未作特殊说明时，扭转试 验标距及每分钟最大扭转次数如表5。表5单向扭转试验标距及允许扭转速度钢丝直径dmm两夹头间标距L最大扭转次数r/mm2V200d180V100d60V100d3050d30值得指出的是：碳素弹簧钢丝标准规定的单向扭转次数是指扭距为100d时的次数，实际测量

27、结果需要按扭距比例进行换算。换算时应注意，扭距与扭转次数并不是严格的正比关系，因为随着扭距加 长，钢丝产生局部不均匀变形的可能性加大；另外，尽管钢丝两端施加了一定的拉应力（6.0mm）检测单次弯曲性能，中小规格钢丝（/w6.0mm）检测缠绕性能。缠绕试验现行标准为： GB/T2976-2004金属材料 线材 缠绕试验方法，试验方法为：钢在直径 为d3d的芯棒上紧密缠绕 38圈，不出现裂纹和折断为合格。3弹簧钢丝和弹性合金使用特性弹簧在弹性范围内使用，卸载后应回复到原来位置，希望塑性变形越小越好，因此钢丝应具有高 的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因而越能提高

28、强度利 用率，制成的弹簧弹力越强。弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧 成型的塑性，以及足够的能承受冲击能量的韧性。弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性 能。在特定环境中使用的弹簧，对钢丝还会有一些特殊要求，例如：在腐蚀介质中使用的弹簧，必须有良好的抗腐蚀性能。精密仪器中使用的弹簧，应具有长期稳定性和灵敏性，温度系数要低，品质因 素要高，后效作用要小，弹性模量要恒定。在高温条件下工作的弹簧，要求在高温时仍能保持足够的 弹性极限和良好的抗蠕变性能等。此外，还应考虑弹簧钢丝的成形工艺和热处理工艺。冷拉弹

29、簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝都以供货状态钢丝直接绕制弹簧，弹簧成形后经消除应力处理即可使用。中小规格的冷拉钢丝的抗拉强度要 略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝变形抗力太大，冷拔时模具损耗也很大，生产困难；另外盘 卷状态供货的冷拉钢丝，弹直性差，绕簧时形状不规则，实际使用规格一般不超过8.0mm=油淬火-回火钢丝弹直性好， 使用规格可放大到 15.0mmt直径15.0mm以上的钢丝大多以轻拉状态供货，加热绕制成弹簧后再进行淬火-回火处理。弹簧根据运行状态可分为静态簧和动态簧。静态弹簧指服役期振动次数有限的弹簧，如安全阀弹簧，弹簧垫，秤盘弹簧，定载荷弹簧，机械弹簧，手表游丝等。动态弹簧指服役期振动

30、次数达1x 106次以上的弹簧，如发动机阀门弹簧，车辆悬挂簧，防震弹簧，联轴器弹簧，电梯缓冲弹簧等。静态弹 簧选材时主要考虑抗拉强度和稳定性，动态弹簧选材时主要考虑疲劳，松弛及共振性能。弹簧根据载荷状况可分为轻载荷、一般载荷和重载荷三种状态。轻载荷指承受静态应力，应力较 低，变形量较小的弹簧，如安全装置用弹簧，吸收振动用弹簧等。设计使用寿命103104次。一般载荷指设计寿命 105106次，在振动频率300次/min条件下使用的普通弹簧。 在许用应力（见 见图2）范围内，寿命保证1 X 106次，载荷应力越低，寿命越长。图2冷拉碳素弹簧钢丝（ASTM A227级别H ）制作压缩和拉伸弹簧时推荐

31、许用应力重载荷指长时间工作、振动频繁的弹簧。如阀门弹簧，空气锤、压力机、液压控制器弹簧，其载 荷较高，常常在低于许用应力10%左右使用，使用寿命大于1 X 106次，通常为107次。弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含的碳和勺锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够 的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数 较大（高达300X 10-6/ C ），适用于制造截面较小，工作温度较低的弹簧。合金弹簧钢

32、一般含%的碳和一定量的Si , Mn, Cr, V, W及 B等合金元素。合金元素的加入改善弹 簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显着提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较 高温度下使用的弹簧。国内外弹簧钢常用牌号对照如表6。表6国内外弹簧钢常用牌号对照表中国日本美国德国GB/T699-1999GB/T1222-1984GB/T1298-1986GB/T5218-1999GB/T18983-2003GJB5259-2003JIS G3506-1996JIS G4801-1984ASTM A510M-1996ASTM A752M-93DIN17222-1979DIN17223-199

33、060SWRH62A105965MnSWRH67B1065C6070SWRH72A1069CK6770MnSWRH72B1070BT8MnASWRH82B1085CK85WT9ASUP4109050CrVA(Cr-V A)SUP10615050CrV4Cr-VB(67 CrV A)VDCrV55CrSiSUP12925455CrSi6355CrMnASUP9515555Cr355Si2MnASUP6925555Si760Si2MnASUP7926060SiCr7高弹性合金3J1 (0Cr12Ni36Ti3AI )是奥氏体沉淀硬化型合金，具有高的弹性极限，良好的抗松 弛性能，优良的耐蚀性能，无磁

34、，最高使用温度250 C,主要用于制作自动化仪表中的波纹管，螺旋弹簧，压力传感器传送杆等。恒弹性合金3J53 ()的弹性模量高，弹性模量温度系数可以通过热处理调整，在室温条件下，温6度系数可以调到接近零的水平(VX10-/C),弹性后效低(v %,品质因素高(Q= 1000015000),加工性能好，可制成形状复杂的弹性元件。主要用于制造声学，电学仪器中的频率发生元件，如机械 滤波器的振子、标准频率震荡器，和制造精密灵敏弹性元件，如精密天平的弹簧和膜片，以及钟表游 丝等。钴基弹性合金 3J21 (1Cr20Ni16Mo7Co40)和3J22 (40M)是综合性能优异的弹性合金，具有高的弹性模量

35、，高的弹性极限，极低的弹性后效(。经冷加工其抗拉强度Rm高达2950Mpa。同时还具有高的疲劳寿命，高硬度，高耐磨，缺口敏感性低，工作温度高达400500C。主要用于制作轴类，张力丝，特种轴承，对弹性敏感性要求高的弹性元件。GH2132是沉淀硬化型高温合金，在固溶+冷变形+时效处理状态下，具有很高的蠕变极限和高温持久性能，优异的疲劳强度和抗松弛性能，即使在538 C高温下，其E值为163000Mpa G值为62000Mps。主要用于制作飞机发动机油门弹簧，显像管支撑弹簧，发动机片弹簧等。4弹簧钢丝标准，应用范围及工艺控制要点。我国弹簧钢丝标准分钢类制定，包括碳素弹簧钢丝标准5个，合金弹簧钢丝标

36、准2个，油淬火-回火弹簧钢丝标准 1个，弹性合金标准 7个，标准明细如表 7。表7弹簧钢丝标准明细序号标准代号标准名称1YB/T5220-93非机械弹簧用碳素弹簧钢丝2GB/T4657-89碳素弹簧钢丝3GB/T4358-1995重要用途碳素弹簧钢丝4GJB1497-92特殊用途碳素弹簧钢丝规范5GJB5260-2003航空用碳素弹簧钢丝规范6GB/T5218-1999合金弹簧钢丝7GJB5259-2003航空用合金弹簧钢丝规范8GB/T18983-2003油淬火-回火弹簧钢丝9YB/T5256-1993弹性元件用合金 3J1和3J5310YB/T5254-1993频率元件用恒弹性合金3J53

37、和3J5811YB/T5253-1993弹性元件用合金3J2112YB/T5252-1993轴尖用合金3J22丝材13YB/T5244-1993正温度系数恒弹性合金3J6314YB/T5243-1993抗震耐磨轴尖合金3J4015YB/T5135-1993发条用高弹性合金 3J9 (2Cr19Ni9Mo )碳素弹簧钢丝碳素弹簧钢丝现行国标和行业标准分为两类型：一类是冷变形强化钢丝，又称冷拉弹簧钢丝。冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅浴处理获得索氏体组织，然后经表面磷化，以很大减面率拉拔到成品 尺寸，钢丝组织呈纤维状，有很高的抗拉强度和弹性极限，良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝尺寸精度高，表面光洁，无氧

38、化和脱碳缺陷，疲劳寿命比较稳定，是使用最广泛的弹簧钢丝。碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝，又称油淬火-回火钢丝。碳素钢丝通过淬火 -回火处理，可获得良好的综合力学性能，当钢丝规格较小时（QW2.0mm）,油淬火-回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时（06.0mm）索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标，而油淬火-回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下，马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金相组织 呈纤维状，各向异性明显，油淬火-回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体，几乎是各向同性的。同

39、时油淬火-回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度（W 175C）也高于冷拉钢丝（120C160C）。近年来中大规格油淬火-回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。下面按标准介绍各类碳素弹簧钢丝的应用范围及工艺控制要点。4.1.1 YB/T5220-93非机械弹簧用碳素弹簧钢丝该标准适用于沙发垫簧，座垫、靠背拉簧，卡簧，夹簧等非机械弹簧用碳素弹簧钢丝。标准按抗 拉强度要求不同将钢丝分成A1, A2, A3A9九个组别，每个组别钢丝不分规格大小按一个强度范围供货，抗拉强度偏差W 200Mps。A1, A2和A3组用于制造较低应力弹簧。A3, A4和A5用于制造一般应力弹簧。A7, A8和A9用于制造较高

40、应力弹簧。床垫簧一般选用A3和A4组别。从使用状态分析，该标准钢丝基本属于静态簧，成品钢丝仅考核抗拉强度、缠绕和单次弯曲三项 性能，详见表&表8 YB/T5220-93非机械弹簧用碳素弹簧钢丝组别直径范围 mm抗拉强度 MPa用途A111801380用于较低应力弹簧A213801580用于较低应力弹簧A315801780用于较低应力弹簧A417801980用于一般应力弹簧A519802180用于一般应力弹簧A621802380用于一般应力弹簧A723802580用于较高应力弹簧A825802780用于较高应力弹簧A927802980用于较高应力弹簧说明：w 4.0mm钢丝在2d芯棒上缠绕两圈无

41、裂纹或折断。4.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿 R=10mm圆弧向不同方向弯曲 90。, 弯曲处不得有裂纹或折断。A1 A3组钢丝一般选用 4570钢，A3A6组选用65Mn或70钢，A7A9组钢丝选用70或T8MnA（82B）生产。由于按该标准供货的钢丝基本用于制作静态弹簧，对疲劳寿命的要求相对宽松，钢丝可 以采用控轧控冷盘条直接拉拔成品。钢丝成前热处理也可以用正火代替铅浴处理。同时允许选用转炉 镇静钢作为原料。4.1.2 GB/T4357-89碳素弹簧钢丝该标准是冷拉碳素弹簧钢丝的通用标准，主要用于制作在各种应力状态下工作的静态弹簧。根据弹簧工作应力状态钢丝可分三个级别供货：B级用于低应力

42、弹簧，C级用于中等应力弹簧，D级用于高应力弹簧。成品钢丝考核抗拉强度、扭转、缠绕和弯曲四项性能，详见表9。B级和C级钢丝一般选用 70 (67A、72A)或65Mn (67B), D级选用T9XEA和T8MnA(82B)生产。表9 GB/T4357-89碳素弹簧钢丝直径B组C组D组抗拉强度扭转次数抗拉强度扭转次数不r抗拉强度:扭转次数不mmMPa不小于MPa小于MPa小于21102500202350275020269030901820602450202300270020264030401820102400202300270020264030401820102400202300270020264

43、030401819602350202250265020260029901819602350202250265020260029901819102300202250265020260029901818602260202200260020255029401818602260202200260020255029401818102210202150255020250028901817602160202110250020245028401817602160202110250020245028401817102110202060245020245028401817102060202010240020240

44、028401817102060202010235020235027501816602010201960230020230026901816201960201910225020225025501816201910201860221020215024501815701860201810216020211024001815201810201760211020201023001814701760201710201020191022001814201710151660196015181021101314201710151660196015176020601313701670151620191015171

45、020101313701670151570186015171019601313201620121570181012166019108132016201215701810121660191081320162012152017601216201860813201570101520176010162018605132015701014701710101570181051270152081470171081570181031220147081420166081520176031220147014201610117014201370157011701420137015701130132013201520

46、1130132013201520108012701270147010801270127014701030122012201420说明：w 4.0mm的D级钢丝和w 6.0mm的B级、C级钢丝在等于钢丝直径的芯棒上缠绕2圈、缠绕后的试样表面不得产生裂纹和断裂。4.0mm的D级钢丝在2倍钢丝直径的芯棒上缠绕 2圈，缠绕后的试样表面不得产生裂纹和断裂。6.00mm的钢丝应进行弯曲检验，试样沿R=10mm圆弧向不同方向弯曲 90，弯曲后不得产生裂纹和断裂。该标准钢丝主要用于制作静态机械弹簧，其服役期振动频次要高于非机械弹簧，对疲劳寿命有一定的要求，成品也增加扭转性能的考核。因此对钢丝用盘条应采用电炉或

47、电炉+炉外精炼法冶炼，盘条中pw% sw瞬。成品钢丝显微组织中如含有游离铁素体，会降低弹簧疲劳寿命，而控轧控冷盘条中 一般均存有515%勺游离铁素体，不宜直接生产成品钢丝。按此标准供应的钢丝原则上成前应经铅浴 处理，消除游离铁素体组织，成品钢丝显微组织应为纤维化索氏体组织。成品钢丝绕制弹簧后应进行 消处应力热处理，推荐热处理工艺如表10。表10 B、C和D组碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺弹簧用途热处理温度厂C时 间/minw 1.25mm3.0mm9.5mm 9.5mm一般载荷21523015 2020 2525 3030 45重载荷23026020 3030 4040 5050 60高温下使

48、用27529030 4545 6060 8060 90说明：B、C和D组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过 160Co4.1.3 GB/T4358-1995 重要用途碳素弹簧钢丝按该标准供货的钢丝，主要用于制作在各种应力状态下工作的动态弹簧。根据弹簧工作应力状态，钢丝分三个组别供货：E组适用于中等应力动态弹簧，F组适用于高应力动态弹簧，G组适用于高疲劳寿命的动态弹簧。成品钢丝考核抗拉强度，扭转，缠绕，弯曲和脱碳五项性能指标，详见表11。由于按该标准供货的钢丝用于制作中、高应力状态下工作的动态弹簧，成品钢丝除保持高的弹性极限和良好的韧性指标外，还必须考虑到疲劳极限和弹簧的疲劳寿命。为此，对钢的纯净度，

49、非金属 夹杂含量和气体含量，铁素体含量及表面脱碳程度有更高的要求。钢丝用盘条必须采用电炉 +炉外精炼法冶炼，对盘条的化学成分有更高的要求：Pw % Sw% Cr w % Niw %（%、Cuw %实际生产中为提高疲劳寿命往往将 Mn控制在高限，E组选用70或70Mn（ 72B），F组选用T8MnA或T9XEA G组选用 65Mn （Mn可调整到）或67B。降低钢中P、S含量，提高 Mn含量和采用炉外精炼的目的是：消减钢中 非金属夹杂含量，改善夹杂物形态和降低气体含量，提高疲劳极限和疲劳寿命。出于同样目的，标准 规定钢中Cr、Ni、Cu含量不得大于规定值，因为Cr、Ni和Cu均能延缓钢的索氏体转

50、变，阻碍钢丝铅浴处理时形成单一的索氏体组织。如果钢丝显微组织中含有游离铁素体，会较大幅度地降低疲劳寿命， 按该标准供货的钢丝，成前必须进行铅浴处理。G组钢丝用于制作在剧烈振动状态下工作的阀门弹簧，对疲劳寿命要求极高，所以选用韧性更好的65Mn盘条，抗拉强度虽有所下降，但疲劳寿命更有保证。钢丝表面脱碳，形成铁素体组织严重影响疲 劳性能，标准对 G组钢丝增加脱碳层检验，规定总脱碳层深度不得大于%d但对较大规格钢丝（4.0mm）受减面率限制，由热轧盘条带来的脱碳层很难彻底消除，标准补充规定：“征得需方同意，可供应脱碳层不超直径 %d的钢丝”。成品钢丝绕制弹簧后应进行消处应力热处理，推荐热处理工艺如表12。表11 GB/T4358-1995 重要用途碳素弹簧钢丝钢丝直径mmE组F组G组抗拉强度MPa扭转次数不小于抗拉强度MPa扭转次数不小于抗拉强度MPa扭转次数不小于222026002