【2017年整理】弹簧力学性能.doc

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1.1 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、钴基弹性合金等1.2 按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2.1 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：ε=σ/E式中 ε— 应变（变形大小）σ— 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 = ，μ 称为泊桑比，同一牌号的泊)1(2E弹簧钢丝和弹性合金丝2桑比是一定数，弹性材料的 μ 值一般在 1/3～1/4 之间E 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 P= ，扭转螺旋弹簧348nDGd的刚度 P= ） 冷拉碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的 E 和 G 值如表 1nDd64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） 196500～198600 78600～80670冷拉碳素弹簧（T8MnA,T9A） 193000～203400 80000～8270050CrV 196500 7720055CrSi 203400 7720060Si2MnA 200000 7410060Si2CrVA 20580030W4Cr2V 2058001Cr13Ni2 (414) 200000 772003Cr13 (420) 200000 772001Cr17Ni2(431) 206000 773001Cr18Ni9(302) 193000 689500Cr17Ni7Al 203400 758402.2 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（τ e）和拉伸弹性极限（R e）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=2τ 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（R eL）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 0.2%的残余变形时的应力作为屈服极限（R P0.2） 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 2，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 60～75 45～55油淬火回火碳素弹簧钢丝 80～90 45～55油淬火回火 65Mn 85～90 50～6050CrV（油淬火回火） 88～93 65～7555CrSi（油淬火回火） 88～93 65～75弹簧钢丝和弹性合金丝360Si2MnA 78～86 55～651Cr13Ni2(414) 65～70 42～553Cr13 (420) 65～75 45～551Cr17Ni2(431) 72～76 50～551Cr18Ni9(302) 65～75 45～550Cr17Ni7Al 75～85 55～602.3 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 80～90%2.4 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个预测疲劳寿命的经验公式：σ -1=0.47Rmσ -1p=0.32Rmτ -1=0.22Rm式中：σ -1 反复弯曲疲劳极限σ -1p 反复拉压疲劳极限τ -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，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2.5 蠕变和松弛弹簧钢丝和弹性合金丝4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 /10000=A 表示弹簧在温度 200℃，持续一小时，产生 0.002%形20.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 o-Rn/Ro）×100%残余应力：一般指 105小时后的残余应力 Rr，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：①钢中气体和夹杂物含量：含量低蠕变小②晶粒度：粗晶粒度钢有较高的抗蠕变能力③合金元素的固溶强化作用：采用少量多元合金可提高抗蠕变性能④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2.6 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：成品弹簧直接评定和试样间接评定以螺旋弹簧为例，检测弹减性的步骤为：①先施加载荷 P，将弹簧压至最低高度 Hmin（约为弹簧自由高度 H0的 1/4）后卸载，测得自由高度 H1；②将弹簧压缩到某一规定高度 H2（约为 H0的 2/3） ，记下所需载荷 P1；③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） ；④卸载后测定此时弹簧的自由高度 H3；⑤最后再将弹簧压缩至规定高度 H2，记下所需载荷 P2；⑥计算出弹簧自由高度的损失 ΔH 和承载能力降低值 ΔP：ΔH=H 1-H3ΔP=P 1-P2根据 ΔH 和 ΔP 的大小判定弹性材料的弹减抗力，ΔH 和 ΔP 越小，弹减抗力越大此外，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，但弹簧钢丝和弹性合金丝5检测步骤复杂、周期长、需要配置专用的检测设备2.7 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 ε e(见图 1)，载荷持续一段时间后应变量增加 ε t，则弹性后效为HiHi=ε t/（ε e+ε 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 0.05%2.8 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失，这种现象称为内耗或阻尼，用 Q-1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 图 1 单向循环载荷的弹性滞后环2.9 弹性的温度效应(1)最高使用温度弹性材料必须在弹性。