彈簧力學(xué)性能

1、彈簧鋼絲和彈性合金絲(上)東北特殊鋼集團(tuán)大連鋼絲制品公司 徐效謙彈性材料是機(jī)械和儀表制造業(yè)廣泛采用的制作各種零件和元件的基礎(chǔ)材料，它在各類機(jī)械和儀表 中的主要作用有：通過變形來吸收振動和沖擊能量，緩和機(jī)械或零部件的震動和沖擊；利用自身形變 時所儲存的能量來控制機(jī)械或零部件的運(yùn)動；實(shí)現(xiàn)介質(zhì)隔離、密封、軟軸連接等功能。還可以利用彈 性材料的彈性、耐蝕性、導(dǎo)磁、導(dǎo)電性等物理特性，制成儀器、儀表元件，將壓力、張力、溫度等物 理量轉(zhuǎn)換成位移量，以便對這些物理量進(jìn)行測量或控制。1彈性材料的分類1.1按化學(xué)成分分類彈性材料可分為：碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹彈簧鋼、鐵基彈性合金、鎳基彈性合金、鉆基 彈性合金

2、等。1.2按使用特性分類根據(jù)彈性材料使用特性，可作如下分類：1.2.1 通用彈簧鋼(1) 形變強(qiáng)化彈簧鋼：碳素彈簧鋼絲。(2) 馬氏體強(qiáng)化彈簧鋼：油淬火回火鋼絲。(3) 綜合強(qiáng)化彈簧鋼：沉淀硬化不銹鋼絲1.2.2 彈性合金(1) 耐蝕高彈性合金(2) 高溫高彈性合金(3) 恒彈性合金(4) 具有特殊機(jī)械性能、物理性能的彈性合金 2彈簧鋼和彈性合金的主要性能指標(biāo) 2.1彈性模量彈簧鋼絲在拉力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)拉力不超過一定值時，變形大小與外力成正比，通常稱為虎 克定律。公式如下：& = (T /E式中 應(yīng)變(變形大小)T 應(yīng)力(外力大小) E 拉伸彈性模量拉伸彈性模量(又稱為楊氏彈性模量或彈性模

3、量)是衡量金屬材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)， 不同牌號彈性模量各不相同，同一牌號的彈性模量基本是一個常數(shù)。工程上除表示金屬抵抗拉力變形能力的彈性模量外(E),還經(jīng)常用到表示金屬抵抗切應(yīng)力變形能力的切變彈性模量(G)。拉伸彈性模量與切變彈性模量之間有一固定關(guān)系：G,卩稱為泊桑比，同一牌號的泊桑2(1 +卩)P=_G3，扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧的8nD3比是一定數(shù)，彈性材料的值一般在1/31/4之間。E和G是彈簧設(shè)計(jì)時兩個重要技術(shù)參數(shù)（拉壓螺旋彈簧的軸向載荷力剛度P= Ed ）。冷拉碳素彈簧鋼絲和合金彈簧鋼絲的E和G值如表1。64 nD表1彈簧鋼的E和G值材料名稱E (Mpa)G (Mpa)冷拉碳素彈簧（6

4、5Mn,70 ）1965001986007860080670冷拉碳素彈簧（T8MnA,T9A ）193000203400800008270050CrV1965007720055CrSi2034007720060Si2MnA2000007410060Si2CrVA20580030W4Cr2V2058001Cr13Ni2 (414)200000772003Cr13 (420)200000772001Cr17Ni2(431)206000773001Cr18Ni9(302)193000689500Cr17Ni7Al2034007584022彈性極限和屈服極限鋼絲在彈性范圍內(nèi)承受外力產(chǎn)生一定變形，外力消

5、除鋼絲恢復(fù)原狀，鋼絲不產(chǎn)生永久殘余變形所 能承受的最大應(yīng)力稱為彈性極限。彈性極限高的鋼絲彈力大，根據(jù)彈簧使用狀態(tài)，影響彈力的彈性極限可分為扭轉(zhuǎn)彈性極限（T e）和拉伸彈性極限（艮）兩種。壓縮拉伸螺旋彈簧用到扭轉(zhuǎn)彈性極限，彈簧墊和板彈簧用到拉伸彈性極限。彈簧一項(xiàng)重要功能是吸收和儲存能量，吸收和儲存的能量稱為變形能。彈簧的變形能與彈性極限 的平方成正比（U=2 T e2/2G或U=2Re2/2E）,所以說彈性極限對彈簧特性有很大的影響。鋼絲在拉伸試驗(yàn)中很難精確地測出其彈性極限，一般用屈服極限衡量彈性極限。屈服極限（ReL）指鋼絲在拉伸過程中開始產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形時的最小應(yīng)力。碳素彈簧鋼絲 屈服

6、點(diǎn)非常不明顯，通常取鋼絲產(chǎn)生 0.2%的殘余變形時的應(yīng)力作為屈服極限（Rpo.2）。鋼絲在退火或固溶條件下，彈性極限和屈服極限很接近，經(jīng)大減面率拉拔后或經(jīng)淬火后的鋼絲， 由于內(nèi)應(yīng)力作用往往有很高的屈服極限，但彈簧極限卻很低。只有經(jīng)消除應(yīng)力退火或回火處理后的鋼 絲彈性極限才接近屈服極限。彈性極限一般與抗拉強(qiáng)度有一定比例關(guān)系。常見彈簧鋼的拉伸彈性極限和扭轉(zhuǎn)彈性極限如表2,表2彈性極限為抗拉強(qiáng)度的百分比（% ）材料名稱拉伸彈性極限扭轉(zhuǎn)彈性極限冷拉碳素彈簧鋼絲607545 55油淬火回火碳素彈簧鋼絲80 9045 55油淬火回火65Mn85 9050 6050CrV （油淬火回火）88 9365755

7、5CrSi （油淬火回火）88 93657560Si2MnA78 8655 651Cr13Ni2(414)657042 553Cr13 (420)657545 551Cr17Ni2(431)72 7650 551Cr18Ni9(302)657545 550Cr17Ni7AI75 8555 602.3抗拉強(qiáng)度和屈服比抗拉強(qiáng)度是衡量鋼絲承受拉力能力的指標(biāo)，拉力試驗(yàn)中以鋼絲拉斷時最大拉力除以鋼絲截面積來 表示?？估瓘?qiáng)度是彈簧鋼絲最重要指標(biāo)。屈服極限與抗拉強(qiáng)度的比值，稱為屈強(qiáng)比，也是衡量彈簧鋼絲質(zhì)量水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。碳素彈 簧鋼絲和合金彈簧鋼退火狀態(tài)下的屈強(qiáng)比大約為50%奧氏體不銹鋼固溶狀態(tài)下的屈強(qiáng)

8、比一般不超過40%冷拉過程中鋼絲屈服極限和抗拉強(qiáng)度同時上升，但屈服極限上升幅度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，碳素和不 銹彈簧鋼絲的屈服比高達(dá)90%以上。合金彈簧鋼絲淬火回火后的屈服比也達(dá)到8090%2.4疲勞壽命和疲勞極限彈性元件在交變載荷作用下，經(jīng)若干次動作產(chǎn)生裂紋叫疲勞斷裂。彈性元件斷裂時完成動作次數(shù) 多，叫疲勞壽命好，反之叫疲勞壽命差。實(shí)際上彈性元件疲勞壽命與載荷的大小、方向、隨時間變化規(guī)律有很大關(guān)系。在載荷大、振幅大 條件下，彈性元件斷裂的循環(huán)次數(shù)就降低，工程中用疲勞極限來衡量彈簧鋼絲的疲勞性能好壞，一般 將經(jīng)107次循環(huán)動作，不產(chǎn)生斷裂時的最大負(fù)載應(yīng)力叫疲勞極限。彈簧鋼絲的疲勞極限與鋼絲的屈服極限

9、成正比，要提高疲勞極限就應(yīng)設(shè)法提高鋼絲屈服強(qiáng)度，或 提高屈強(qiáng)比。介紹幾個預(yù)測疲勞壽命的經(jīng)驗(yàn)公式：CT -1 =0.47Rm（T -1p=0.32RmT -1 =0.22Rm式中：T -1反復(fù)彎曲疲勞極限T -1P反復(fù)拉壓疲勞極限T -1反復(fù)扭轉(zhuǎn)疲勞極限疲勞斷裂往往先從鋼絲表面形成，并向內(nèi)部傳播，表面質(zhì)量非常重要。鋼絲表面裂紋、劃傷、邊 刺、斑疤、麻點(diǎn)、銹蝕坑和銹蝕皮都會造成鋼絲疲勞極限下降。提高表面光潔度和采用工藝措施提高鋼絲表面強(qiáng)度是提高疲勞極限的有效方法。因此對疲勞壽命 要求高的用戶，應(yīng)推薦選用磨光鋼絲。彈簧廠對彈簧表面進(jìn)行滲氮處理、噴丸處理和壓光處理，目的 是通過提高表面強(qiáng)度來提高疲勞極

10、限。鋼絲表面脫碳造成表面強(qiáng)度降低，很薄的脫碳層也會導(dǎo)致疲勞極限的急劇下降。碳素彈簧鋼絲采 用連續(xù)爐熱處理，在爐時間為數(shù)分鐘，產(chǎn)生脫碳的可能性很小。合金彈簧采用周期爐熱處理，在爐時 間以小時計(jì)算，防止脫碳是工藝控制的重點(diǎn)。2.5蠕變和松弛在彈簧的兩端施加一定的拉應(yīng)力（低于彈性極限），彈簧產(chǎn)生一定的伸長，但隨著時間加長，伸長量緩慢增加，叫做蠕變。鋼絲蠕變往往經(jīng)歷從緩慢變化到加速變化，直至斷裂的過程。鋼絲蠕變在常 溫下不明顯，但隨溫度升高而加速。工程上用彈簧在一定溫度，持續(xù)一段時間，產(chǎn)生一定量變形所施加的應(yīng)力來定義蠕變極限。如匚0.002/10000=A表示彈簧在溫度 200C,持續(xù)一小時，產(chǎn)生 0

11、.002%形變,需施加A （MPa的應(yīng)力。使彈簧產(chǎn)生一定量的變形，就產(chǎn)生一定量的應(yīng)力，但隨著時間的持續(xù)，應(yīng)力逐漸減小，叫做應(yīng)力松弛。例如用螺栓壓緊個零件，需轉(zhuǎn)動螺帽使螺栓拉長，產(chǎn)生一定的彈性變形，形成相應(yīng)的壓應(yīng)力。在較高溫度下，經(jīng)過一段時間后，雖然螺栓位置不變，但壓應(yīng)力逐漸減小，就叫應(yīng)力松弛。松弛是隨 時間持續(xù)部分彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形造成的。松弛有幾種表示方法：松弛率：經(jīng)過一段時間，應(yīng)力減小值與原始應(yīng)力之比，即（RO-Rn/Ro） X 100%5殘余應(yīng)力：一般指 10小時后的殘余應(yīng)力 R, R越高說明材料抗松弛性能越好。蠕變和松弛都是衡量彈簧穩(wěn)定性的指標(biāo)，共同特點(diǎn)是隨溫度升高、時間加長，表現(xiàn)

12、的越加明顯。影響蠕變性能的因素有：鋼中氣體和夾雜物含量：含量低蠕變小。晶粒度：粗晶粒度鋼有較 高的抗蠕變能力。合金元素的固溶強(qiáng)化作用：采用少量多元合金可提高抗蠕變性能。第二相彌散 析出可提高抗蠕變性能。松弛是彈性滯后的一種反映。主要取決于鋼的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。2.6彈性減退彈性減退（簡稱彈減性）是指室溫下，彈性材料在交變動載荷或靜載荷作用下，發(fā)生塑性變形的一 種力學(xué)現(xiàn)象。彈減性與蠕變和松馳的差別在于：蠕變是指在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變緩慢增加；松弛是 指恒應(yīng)變條件下的應(yīng)力自發(fā)下降；彈減性是指交變載荷下的應(yīng)力減退。因此可以說，蠕變和松馳是特 定條件下的彈性減退，三者反映出材料的同一本質(zhì)特性。大多數(shù)

13、彈簧工作時應(yīng)力和應(yīng)變均發(fā)生變化， 因此彈性減退是彈簧使用過程中最常見現(xiàn)象。評定彈性減退的實(shí)驗(yàn)方法有兩類：成品彈簧直接評定和試樣間接評定。以螺旋彈簧為例，檢測彈減性的步驟為：先施加載荷P,將彈簧壓至最低高度 Hnin （約為彈簧自由高度 H的1/4 ）后卸載，測得自由高度H;將彈簧壓縮到某一規(guī)定高度H2 （約為H的2/3 ），記下所需載荷Pi;卸掉彈簧載荷P1后，再重新加載荷，將彈簧壓縮至最低高度Hmin，保持較長時間，如72h或更長時間（根據(jù)材料的彈減抗力、彈簧參數(shù)及 Hmin等因素確定）；卸載后測定此時彈簧的自由高度H；最后再將彈簧壓縮至規(guī)定高度Hz,記下所需載荷P2；計(jì)算出彈簧自由高度的損

14、失 H和承載能力降低值 P: H=H-H3 P=R-P2根據(jù)H和厶P的大小判定彈性材料的彈減抗力，H和P越小，彈減抗力越大。此外，成品彈簧彈減性檢測方法還有：動態(tài)松馳試驗(yàn)法和螺旋彈簧剪切試驗(yàn)法等。試樣間接評定基本采用金屬拉伸 試樣，檢測方法有：拉伸松馳試驗(yàn)法、鮑辛格(Baushinger )扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法、鮑辛格拉、壓試驗(yàn)法和扭轉(zhuǎn)蠕變試驗(yàn)法。一般說來，彈簧實(shí)物檢測接近使用實(shí)際，檢測結(jié)果直觀、實(shí)用，但不同形狀彈簧檢測 結(jié)果沒有可比性。試樣檢測結(jié)果一般為一組數(shù)據(jù)或曲線圖，能反映出材料的彈減性、有可比性，但檢 測步驟復(fù)雜、周期長、需要配置專用的檢測設(shè)備。2.7彈性的時間效應(yīng)除蠕變、松弛和彈性減退性能外，

15、反映彈性時間效應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)有：(1) 彈性滯后彈性材料在彈性變形范圍內(nèi)，反復(fù)加載和卸載，應(yīng)變總是落后于應(yīng)力變化，叫彈性滯后。對于 儀表用彈性元件(如張力絲、膜盒)，彈性滯后可能導(dǎo)致儀表給出不同的讀數(shù)，所以要求彈性滯后越小 越好。(2) 彈性后效彈性元件加載荷后產(chǎn)生應(yīng)變 e(見圖1),載荷持續(xù)一段時間后應(yīng)變量增加 t ,則彈性后效為 H。Hi= t/ ( e+ t )加載時的Hi為正彈性后效，卸載時 Hi為反彈性后效。測量彈性后效時，以加載和卸載 10分鐘時 測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。碳素彈簧鋼的彈性后效值高達(dá)30%彈性合金3J53彈性后效值可低到 0.05%。2.8彈性的能量效應(yīng)圖1單向循環(huán)載荷的彈性

16、滯后環(huán)彈性元件周期振動時，應(yīng)變滯后于應(yīng)力，使應(yīng)力、應(yīng)變曲線出現(xiàn)滯 后環(huán)(圖1)。滯后環(huán)所包圍的面積等于振動一周消耗的能量，這些能量 轉(zhuǎn)化為熱量散失，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)耗或阻尼，用Q1表示。它的倒數(shù)稱為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，用Q表示。在實(shí)際應(yīng)用中，對金屬材料的內(nèi)耗特性有 不同要求，用于減震的彈簧，要求材料有盡量能大的內(nèi)耗值，以盡快減少共振時的應(yīng)力幅度。用于濾波器中振子和音叉振蕩器的彈性元件，要內(nèi)耗越小越好，即機(jī)械品質(zhì)因素越大越好。 金屬材料內(nèi)耗主要取決于化 學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)，但冷加工使內(nèi)耗增加，退火使內(nèi)耗降低。2.9彈性的溫度效應(yīng)(1)最高使用溫度彈性材料必須在彈性極限范圍內(nèi)使用，當(dāng)使用應(yīng)力超過彈性極限時，

17、彈簧失效。金屬和合金的抗拉強(qiáng)度和彈性極限隨著溫度上升而下降，同時隨著溫度的上升，材料的蠕變或松弛加大，彈簧變形加 大，彈性減退。當(dāng)溫度高到一定限度，彈簧就無法使用了，所以彈性材料都存在著最高允許使用溫度 的限制。彈簧鋼絲和彈性合金絲的最高使用溫度主要取決于材料的化學(xué)成分，其次是顯微組織結(jié)構(gòu)。 常用彈性材料的最高使用溫度如表3。表3常用彈性材料的最高使用溫度牌號最高使用溫度廠c牌號最高使用溫度/c冷拉碳素彈簧鋼絲12016030W4Cr2V500油淬火回火碳素彈簧鋼絲1753Cr2W8V35050050CrVA2002203Cr1331555CrSiA2452501Cr18Ni9(302)300

18、60Si2MnA2500Cr17Ni7AI(17-7PH)34060Si2CrVA3500Cr15Ni7Mo2AI(PH15-7Mo)43065Si2MnWA3500Cr15Ni25Ti2MoVB(GH2132)50055045CrMoVA4500Cr15Ni35W2Mo2Ti2AI2B(GH2135)550600(2)彈性模量溫度系數(shù)反映彈性溫度效應(yīng)的指標(biāo)還有彈性模量溫度系數(shù)和頻率溫度系數(shù)。碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼溫度 系數(shù)比較大，實(shí)際使用中很少用到這一概念。對于制作儀器儀表用彈性敏感元件的彈性合金絲來說, 彈性模量溫度系數(shù)和頻率溫度系數(shù)是兩項(xiàng)非常重要指標(biāo)。性模量-溫度關(guān)系的正常變化?？梢苑謩e

19、用3 E和3 G來表示E和G的彈性模量溫度系數(shù)，彈性合金標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常用到某一溫度區(qū)間的彈性模量溫度系數(shù)，其定義為：3. E3 E=大多數(shù)金屬和合金的彈性模量E和切變彈性模量 G是隨著溫度升高而下降的，這種變化被稱為彈E(t2 7)3二 G3 G=G(t2 tl)式中：3 E彈性模量溫度系數(shù)，10-6X /C3 G 切變彈性模量溫度系數(shù)，X10-6/c11、t2溫度，C 。金屬和合金的彈性模量溫度系數(shù)與線膨脹系數(shù)C)一樣，是與原子間距變化密切相關(guān)的物理量,兩者之間的比值是一個常數(shù)，即丄=_m。一般金屬和合金(部分鐵磁性合金除外)的 m大約在(4042) X 10-3左右，所以在溫度變化范圍不太大時，

20、可以按 ：值近似地估算出3 E的值。因?yàn)镚=一E,2(1 + 4)J是隨著溫度升高而增加的，3 G值一般小于3 E值。(3) 頻率溫度系數(shù)常用-f來表示。彈性材料的共振頻率用彈性材料制作的一些彈性元件，如濾波振子和音叉等，工作時要用到頻率溫度系數(shù)這項(xiàng)性能, 頻率溫度系數(shù)是衡量材料的共振頻率隨溫度變化狀況的物理量, 與彈性模量之間有如下關(guān)系:E=kf； d式中：E 彈性模量fr 共振頻率I彈性試樣長度 d 彈性試樣直徑 k 常數(shù)由上式可以導(dǎo)出頻率溫度系數(shù)與彈性模量溫度系數(shù)之間的關(guān)系：彎曲振動時的頻率溫度系數(shù)：二二2扭振動時的頻率溫度系數(shù)：-式中：一線膨脹系數(shù)2（4）鐵磁性金屬和合金的彈性反常變化

21、一般金屬和合金的彈性模量和共振頻率是隨溫度上升而降低的（3 E V 0=，而純鎳和部分Fe-Ni ,Fe-Cr-Co合金在室溫附近的彈性模量變化很小（3 e 0），甚至增大（3 e0），這種現(xiàn)象被稱為彈性反常變化。彈性反常變化原因是：在一定的溫度范圍內(nèi)，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了額外的尺寸或體積變 化，如相變、有序無序轉(zhuǎn)變和鐵磁性能變化等。恒彈性合金正是利用鐵磁合金彈性反常變化規(guī)律研制 出來的一類彈性材料。2.10彈簧鋼絲工藝性能指標(biāo)彈簧繞制過程中鋼絲承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和纏繞三種力，與此對應(yīng)成品鋼絲需進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)和纏繞 三項(xiàng)試驗(yàn)。（1 ）彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)方法有了兩種：單次彎曲和反復(fù)彎曲。單次彎曲適用

22、于直徑較大的鋼絲（6.0mm），試樣沿r=10mm的圓弧向不同方向彎曲 90，鋼絲不得有裂紋和折斷。反復(fù)彎曲試驗(yàn)是將試樣一端夾緊，沿著規(guī)定半徑的圓柱形表面彎曲90,然后向相反方向反復(fù)彎曲，直至斷裂，記下反復(fù)彎曲次數(shù) （Nb）。鋼絲彎曲次數(shù)和彎曲半徑（圓柱半徑）密切相關(guān)，彎曲半徑增大，彎曲次數(shù)顯著提高。GB/T238-2002金屬材料 線材反復(fù)彎曲試驗(yàn)方法規(guī)定，不同規(guī)格鋼絲彎曲圓弧半徑如表4。表4鋼絲彎曲試驗(yàn)的彎曲半徑、距離和孔徑鋼絲直徑mm彎曲圓弧半徑r撥桿距離h撥桿孔直徑dg0.3 0.51.25 0.05152.0 0.5 0.71.75 0.05152.0 0.7 1.02.5 0.11

23、52.0 1.0 1.53.75 0.1202.0 1.5 2.05.0 0.1202.0 和 2.5 2.0 3.07.5 0.1252.5 和 3.5 3.0 4.010 0.1353.5 和 4.5 4.0 6.015 0.1504.5 和 7.0 6.0 8.020 0.1757.0 和 9.0 8.0 10.025 0.11009.0 和 11.0注：應(yīng)根據(jù)線材直徑選用合適的撥桿孔直徑，保證線材在孔內(nèi)自由移動反復(fù)彎曲試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是：檢驗(yàn)鋼絲在一個平面內(nèi)進(jìn)次多次反向彎曲時所能承受的變形能力。鋼絲沿彎曲圓柱彎曲時，外層表面會產(chǎn)生一定的延伸變形，其彎曲伸長率（Ab）可用公式表示：代=22r式

24、中：A彎曲伸長率d鋼絲直徑檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的彎曲圓柱的半徑是按鋼絲外層表面彎曲伸長率不超過20%確定的，每一組距鋼絲對應(yīng)一定的圓柱半徑。在同一組距中，直徑最細(xì)的鋼絲彎曲伸長率最?。ˋb=12%- 15%），彎曲次數(shù)最高。隨著鋼絲直徑加大，鋼絲彎曲伸長率加大（max20%）,彎曲次數(shù)均勻下降，一直過渡到下一個較大彎曲圓柱半徑為止。同一規(guī)格鋼絲在不同彎曲半徑條件下彎曲次數(shù)可以用經(jīng)驗(yàn)公式來換算：2（2d）Nbi2 02 d） Nb2式中：ri、2彎曲半徑 Nb i、Nb彎曲次數(shù)從公式可以看出，彎曲半徑對彎曲次數(shù)有決定性的影響，實(shí)際檢驗(yàn)過程中因彎曲圓柱面不均勻磨 損，彎曲半徑又很難檢定，同一組鋼絲在不同部門

25、，不同彎曲機(jī)上的檢測結(jié)果往往有很大誤差，所以 碳素彈簧鋼絲國家標(biāo)準(zhǔn) （GB4357-84）中早己取消了該項(xiàng)檢驗(yàn)。碳素彈簧鋼絲彎曲值隨抗拉強(qiáng)度提高而增加，而矯直和消除應(yīng)力退火導(dǎo)致彎曲值下降。（2）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)性能是冷拉碳素彈簧鋼絲的一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)實(shí)質(zhì)是：沿中心旋轉(zhuǎn)鋼絲，使鋼絲截面從里到外產(chǎn)生不均勻變形，離中心越遠(yuǎn)處承受的扭矩越大，當(dāng)變形應(yīng)力累加到超過承受能力時，鋼絲斷裂。如果鋼絲截面組織、成分均勻，無缺陷，扭轉(zhuǎn)斷口平齊，垂直或近似垂直于軸線；如果截 面組織、成分不均勻，有明顯缺陷，扭轉(zhuǎn)斷口呈不規(guī)則的層狀或撕裂狀。根據(jù)扭轉(zhuǎn)變形特征可以看出， 扭轉(zhuǎn)次數(shù)與鋼絲直徑密切相關(guān)，大規(guī)格鋼絲截面

26、扭矩差別大，不均勻變形更強(qiáng)烈，能承受的扭轉(zhuǎn)次數(shù) 偏低；小規(guī)格鋼絲能承受的扭轉(zhuǎn)次數(shù)明顯偏高。通過分析還可以看出：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要考核鋼絲表面質(zhì)量和內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)。鋼絲表面裂紋、邊 刺、斑疤和折疊會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)次數(shù)大幅度下降。內(nèi)部應(yīng)力分布不均或鋼絲拉拔時冷卻不當(dāng)、潤滑不良、 模具不好導(dǎo)致鋼絲溫升過高，產(chǎn)生時效應(yīng)變都會使扭轉(zhuǎn)性能顯著降低。從工藝操作角度分析，增加拉 拔道次、小減面率（10%）改修都能改變鋼絲內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，提高扭轉(zhuǎn)次數(shù)。從組織結(jié)構(gòu)角度分析,加大晶粒度或提高索氏體片的厚度可以提高扭轉(zhuǎn)值，實(shí)際操作就是降低鉛浴處理的收線速度、提高爐 溫和鉛溫。鋼絲的扭轉(zhuǎn)次數(shù)可以用以下公式預(yù)測:Nt = -L

27、x _F63C x e/2 x（書-書 Fesc） 2式中：N 扭轉(zhuǎn)次數(shù)預(yù)測值；L扭轉(zhuǎn)試樣長度（mr）i ；d鋼絲直徑（mr）;“一一變形指數(shù)（“ =2x In為）;1“ Fe3C Fe3C真實(shí)變形指數(shù)。從公式中可以看出扭轉(zhuǎn)次數(shù)與扭轉(zhuǎn)試樣長度（扭距）成正比，與鋼絲直徑成反比。預(yù)測值與實(shí)際值約有土 12%的偏差。GB/T239-1999金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法規(guī)定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)未作特殊說明時，扭轉(zhuǎn)試 驗(yàn)標(biāo)距及每分鐘最大扭轉(zhuǎn)次數(shù)如表5。表5單向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)標(biāo)距及允許扭轉(zhuǎn)速度鋼絲直徑dmm兩夾頭間標(biāo)距L最大扭轉(zhuǎn)次數(shù)r/mm20.3 V 1.0200d1801.0 V 3.6100d603.6 V 5.0100d3

28、05.0 10.050d30值得指出的是：碳素彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單向扭轉(zhuǎn)次數(shù)是指扭距為100d時的次數(shù)，實(shí)際測量結(jié)果需要按扭距比例進(jìn)行換算。換算時應(yīng)注意，扭距與扭轉(zhuǎn)次數(shù)並不是嚴(yán)格的正比關(guān)系，因?yàn)殡S著扭距加 長，鋼絲產(chǎn)生局部不均勻變形的可能性加大；另外，盡管鋼絲兩端施加了一定的拉應(yīng)力（6.0mm）檢測單次彎曲性能，中小規(guī)格鋼絲（/w6.0mm）檢測纏繞性能。纏繞試驗(yàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T2976-2004金屬材料 線材 纏繞試驗(yàn)方法，試驗(yàn)方法為：鋼在直徑為d3d的芯棒上緊密纏繞 38圈，不出現(xiàn)裂紋和折斷為合格。3彈簧鋼絲和彈性合金使用特性彈簧在彈性范圍內(nèi)使用，卸載后應(yīng)回復(fù)到原來位置，希望塑性變形越

29、小越好，因此鋼絲應(yīng)具有高 的彈性極限，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈強(qiáng)比越高，彈性極限就越接近抗拉強(qiáng)度，因而越能提高強(qiáng)度利 用率，制成的彈簧彈力越強(qiáng)。彈簧依靠彈性變形吸收沖擊能量，所以彈簧鋼絲不一定要有很高的塑性，但起碼要有能承受彈簧 成型的塑性，以及足夠的能承受沖擊能量的韌性。彈簧通常在交變應(yīng)力作用下長期工作，因此要有很高的疲勞極限，以及良好的抗蠕變和抗松弛性 能。在特定環(huán)境中使用的彈簧，對鋼絲還會有一些特殊要求，例如：在腐蝕介質(zhì)中使用的彈簧，必須 有良好的抗腐蝕性能。精密儀器中使用的彈簧，應(yīng)具有長期穩(wěn)定性和靈敏性，溫度系數(shù)要低，品質(zhì)因 素要高，后效作用要小，彈性模量要恒定。在高溫條件下工作的彈簧，

30、要求在高溫時仍能保持足夠的 彈性極限和良好的抗蠕變性能等。此外，還應(yīng)考慮彈簧鋼絲的成形工藝和熱處理工藝。冷拉彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲都以供 貨狀態(tài)鋼絲直接繞制彈簧，彈簧成形后經(jīng)消除應(yīng)力處理即可使用。中小規(guī)格的冷拉鋼絲的抗拉強(qiáng)度要 略高于油淬火回火鋼絲。大規(guī)格冷拉鋼絲變形抗力太大，冷拔時模具損耗也很大，生產(chǎn)困難；另外盤 卷狀態(tài)供貨的冷拉鋼絲，彈直性差，繞簧時形狀不規(guī)則，實(shí)際使用規(guī)格一般不超過8.0mm。油淬火-回火鋼絲彈直性好， 使用規(guī)格可放大到 15.0mm。直徑15.0mm以上的鋼絲大多以輕拉狀態(tài)供貨，加熱繞制成彈簧后再進(jìn)行淬火-回火處理。彈簧根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)可分為靜態(tài)簧和動態(tài)簧。靜態(tài)彈簧指

31、服役期振動次數(shù)有限的彈簧，如安全閥彈簧，彈簧墊，秤盤彈簧，定載荷彈簧，機(jī)械彈簧，手表游絲等。動態(tài)彈簧指服役期振動次數(shù)達(dá)lx 106次以上的彈簧，如發(fā)動機(jī)閥門彈簧，車輛懸掛簧，防震彈簧，聯(lián)軸器彈簧，電梯緩沖彈簧等。靜態(tài)彈 簧選材時主要考慮抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，動態(tài)彈簧選材時主要考慮疲勞，松弛及共振性能。彈簧根據(jù)載荷狀況可分為輕載荷、一般載荷和重載荷三種狀態(tài)。輕載荷指承受靜態(tài)應(yīng)力，應(yīng)力較 低，變形量較小的彈簧，如安全裝置用彈簧，吸收振動用彈簧等。設(shè)計(jì)使用壽命103104次。一般載荷指設(shè)計(jì)壽命 105106次，在振動頻率300次/min條件下使用的普通彈簧。 在許用應(yīng)力（見 見圖2）范圍內(nèi)，壽命保證1

32、x 106次，載荷應(yīng)力越低，壽命越長。圖2冷拉碳素彈簧鋼絲（ASTM A227級別H ）制作壓縮和拉伸彈簧時推薦許用應(yīng)力重載荷指長時間工作、振動頻繁的彈簧。如閥門彈簧，空氣錘、壓力機(jī)、液壓控制器彈簧，其載荷較高，常常在低于許用應(yīng)力10滋右使用，使用壽命大于1 x 106次，通常為107次。彈簧選材的原則是：首先滿足功能要求，其次是強(qiáng)度要求，最后才考慮經(jīng)濟(jì)性。碳素彈簧鋼是彈簧鋼中用途廣泛，用量最大的鋼類。鋼中含0.600.90%的碳和0.31.20%的錳, 不再添加其它合金元素，使用成本相對較低。碳素彈簧鋼絲經(jīng)適當(dāng)?shù)募庸せ驘崽幚?，可以獲得很高的 抗拉強(qiáng)度，足夠的韌性和良好的疲勞壽命。但碳素鋼絲的

33、淬透性低，抗松弛性能和耐蝕性能差，彈性 模量的溫度系數(shù)較大(高達(dá)300x 10-6/C )，適用于制造截面較小，工作溫度較低的彈簧。合金彈簧鋼一般含 0.450.70%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彈簧鋼的抗松弛性能，提高鋼的韌性，同時顯著提高鋼的淬透性和使用溫度，適用于制造較大截面，較高溫度下使用的彈簧。國內(nèi)外彈簧鋼常用牌號對照如表6。表6國內(nèi)外彈簧鋼常用牌號對照表中國日本美國德國GB/T699-1999GB/T1222-1984GB/T1298-1986GB/T5218-1999GB/T18983-2003GJB5259-2003JIS

34、G3506-1996JIS G4801-1984ASTM A510M-1996ASTM A752M-93DIN17222-1979DIN17223-199060SWRH62A105965MnSWRH67B1065C6070SWRH72A1069CK6770MnSWRH72B1070BT8MnASWRH82B1085CK85WT9ASUP4109050CrVA(Cr-V A)SUP10615050CrV4Cr-VB(67 CrV A)VDCrV55CrSiSUP12925455CrSi6355CrMnASUP9515555Cr355Si2MnASUP6925555Si760Si2MnASUP79

35、26060SiCr7高彈性合金3J1 (0Cr12Ni36Ti3AI )是奧氏體沉淀硬化型合金，具有高的彈性極限，良好的抗松 弛性能，優(yōu)良的耐蝕性能，無磁，最高使用溫度250 C,主要用于制作自動化儀表中的波紋管，螺旋彈簧，壓力傳感器傳送桿等。恒彈性合金3J53 (00Cr6Ni42Ti2.5Al )的彈性模量高，彈性模量溫度系數(shù)可以通過熱處理調(diào)整， 在室溫條件下，溫度系數(shù)可以調(diào)到接近零的水平(V0.4 x 10-6/ C),彈性后效低(V 0.05%),品質(zhì)因素高(Q= 1000015000),加工性能好，可制成形狀復(fù)雜的彈性元件。主要用于制造聲學(xué)，電學(xué)儀器 中的頻率發(fā)生元件，如機(jī)械濾波器的

36、振子、標(biāo)準(zhǔn)頻率震蕩器，和制造精密靈敏彈性元件，如精密天平 的彈簧和膜片，以及鐘表游絲等。鈷基彈性合金 3J21 (1Cr20Ni16Mo7Co40)和 3J22 (1Cr19Mn2Ni16Co40M03.5W4.5)是綜合性能優(yōu) 異的彈性合金，具有高的彈性模量，高的彈性極限，極低的彈性后效(0.02%)。經(jīng)冷加工其抗拉強(qiáng)度屆高達(dá)2950Mpst同時還具有高的疲勞壽命， 高硬度，高耐磨，缺口敏感性低，工作溫度高達(dá)400500Co 主要用于制作軸類，張力絲，特種軸承，對彈性敏感性要求高的彈性元件。GH2132是沉淀硬化型高溫合金，在固溶+冷變形+時效處理狀態(tài)下，具有很高的蠕變極限和高溫持久性能，優(yōu)

37、異的疲勞強(qiáng)度和抗松弛性能，即使在538 C高溫下，其E值為163000Mpa G值為62000Mpso主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)油門彈簧，顯像管支撐彈簧，發(fā)動機(jī)片彈簧等。4彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍及工藝控制要點(diǎn)。我國彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)分鋼類制定，包括碳素彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)5個，合金彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn) 2個，油淬火-回火彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn) 1個，彈性合金標(biāo)準(zhǔn) 7個，標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)如表 7。表7彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)序號標(biāo)準(zhǔn)代號標(biāo)準(zhǔn)名稱1YB/T5220-93非機(jī)械彈簧用碳素彈簧鋼絲2GB/T4657-89碳素彈簧鋼絲3GB/T4358-1995重要用途碳素彈簧鋼絲4GJB1497-92特殊用途碳素彈簧鋼絲規(guī)范5GJB5260-2003航

38、空用碳素彈簧鋼絲規(guī)范6GB/T5218-1999合金彈簧鋼絲7GJB5259-2003航空用合金彈簧鋼絲規(guī)范8GB/T18983-2003油淬火-回火彈簧鋼絲9YB/T5256-1993彈性元件用合金 3J1和3J5310YB/T5254-1993頻率元件用恒彈性合金3J53和3J5811YB/T5253-1993彈性元件用合金3J2112YB/T5252-1993軸尖用合金3J22絲材13YB/T5244-1993正溫度系數(shù)恒彈性合金3J6314YB/T5243-1993抗震耐磨軸尖合金3J4015YB/T5135-1993發(fā)條用高彈性合金 3J9 (2Cr19Ni9Mo )4.1碳素彈簧鋼

39、絲碳素彈簧鋼絲現(xiàn)行國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分為兩類型：一類是冷變形強(qiáng)化鋼絲，又稱冷拉彈簧鋼絲。冷拉碳素彈簧鋼絲首先經(jīng)鉛浴處理獲得索氏體組織，然后經(jīng)表面磷化，以很大減面率拉拔到成品 尺寸，鋼絲組織呈纖維狀，有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性極限，良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能。冷拉彈簧鋼絲尺 寸精度高，表面光潔，無氧化和脫碳缺陷，疲勞壽命比較穩(wěn)定，是使用最廣泛的彈簧鋼絲。碳素彈簧鋼絲的另一類型是馬氏體強(qiáng)化鋼絲，又稱油淬火-回火鋼絲。碳素鋼絲通過淬火 -回火處理，可獲得良好的綜合力學(xué)性能，當(dāng)鋼絲規(guī)格較小時( w 2.0mm),油淬火-回火鋼絲的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo) 比索氏體化處理后冷拉鋼絲要低。當(dāng)鋼絲規(guī)格較大時( 6.0mm)索氏體化的

40、鋼絲不可能采用很大減面率來獲得所要求的強(qiáng)度指標(biāo)，而油淬火-回火鋼絲只要完全淬透就可以獲得比冷拉鋼絲更高的性能。在抗拉強(qiáng)度相同條件下，馬氏體強(qiáng)化鋼絲比冷變形強(qiáng)化鋼絲具有更高的彈性極限。冷拉鋼絲金相組織 呈纖維狀，各向異性明顯，油淬火-回火鋼絲金相組織為均勻的回火馬氏體，幾乎是各向同性的。同時油淬火-回火鋼絲的抗松弛性能優(yōu)于冷拉鋼絲，使用溫度(w 175C)也高于冷拉鋼絲(120C160C)。近年來中大規(guī)格油淬火-回火鋼絲大有取代冷拉鋼絲趨勢。下面按標(biāo)準(zhǔn)介紹各類碳素彈簧鋼絲的應(yīng)用范圍及工藝控制要點(diǎn)。4.1.1 YB/T5220-93非機(jī)械彈簧用碳素彈簧鋼絲該標(biāo)準(zhǔn)適用于沙發(fā)墊簧，座墊、靠背拉簧，卡簧

41、，夾簧等非機(jī)械彈簧用碳素彈簧鋼絲。標(biāo)準(zhǔn)按抗 拉強(qiáng)度要求不同將鋼絲分成A1, A2, A3A9九個組別，每個組別鋼絲不分規(guī)格大小按一個強(qiáng)度范圍供貨，抗拉強(qiáng)度偏差w 200Mps。A1, A2和A3組用于制造較低應(yīng)力彈簧。A3, A4和A5用于制造一般應(yīng)力彈簧。A7, A8和A9用于制造較高應(yīng)力彈簧。床墊簧一般選用A3和A4組別。從使用狀態(tài)分析，該標(biāo)準(zhǔn)鋼絲基本屬于靜態(tài)簧，成品鋼絲僅考核抗拉強(qiáng)度、纏繞和單次彎曲三項(xiàng)性能，詳見表&表8 YB/T5220-93非機(jī)械彈簧用碳素彈簧鋼絲組別直徑范圍 mm抗拉強(qiáng)度 MPa用途A16.07.011801380用于較低應(yīng)力彈簧A23.27.013801580用于

42、較低應(yīng)力彈簧A31.66.015801780用于較低應(yīng)力彈簧A40.64.017801980用于一般應(yīng)力彈簧A50.32.619802180用于一般應(yīng)力彈簧A60.31.621802380用于一般應(yīng)力彈簧A70.31.023802580用于較高應(yīng)力彈簧A80.30.625802780用于較高應(yīng)力彈簧A90.20.427802980用于較高應(yīng)力彈簧說明：w 4.0mm鋼絲在2d芯棒上纏繞兩圈無裂紋或折斷。4.0mm鋼絲進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試樣沿 R=10mm圓弧向不同方向彎曲 90。, 彎曲處不得有裂紋或折斷。A1 A3組鋼絲一般選用 4570鋼，A3A6組選用65Mn或70鋼，A7A9組鋼絲選用70

43、或T8MnA(82B)生產(chǎn)。由于按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲基本用于制作靜態(tài)彈簧，對疲勞壽命的要求相對寬松，鋼絲可 以采用控軋控冷盤條直接拉拔成品。鋼絲成前熱處理也可以用正火代替鉛浴處理。同時允許選用轉(zhuǎn)爐 鎮(zhèn)靜鋼作為原料。4.1.2 GB/T4357-89碳素彈簧鋼絲該標(biāo)準(zhǔn)是冷拉碳素彈簧鋼絲的通用標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制作在各種應(yīng)力狀態(tài)下工作的靜態(tài)彈簧。根據(jù)彈簧工作應(yīng)力狀態(tài)鋼絲可分三個級別供貨：B級用于低應(yīng)力彈簧，C級用于中等應(yīng)力彈簧，D級用于高應(yīng)力彈簧。成品鋼絲考核抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)、纏繞和彎曲四項(xiàng)性能，詳見表9。B級和C級鋼絲一般選用 70 (67A、72A)或65Mn (67B)，D級選用T9XEA和T8Mn

44、A(82B)生產(chǎn)。表9 GB/T4357-89碳素彈簧鋼絲直徑mmB組C組D組抗拉強(qiáng)度MPa扭轉(zhuǎn)次數(shù)不小于抗拉強(qiáng)度MPa扭轉(zhuǎn)次數(shù)不小于抗拉強(qiáng)度MPa扭轉(zhuǎn)次數(shù)不小于0.222110250020235027502026903090180.252060245020230027002026403040180.282010240020230027002026403040180.302010240020230027002026403040180.321960235020225026502026002990180.351960235020225026502026002990180.4019102300202

45、25026502026002990180.451860226020220026002025502940180.501860226020220026002025502940180.551810221020215025502025002890180.601760216020211025002024502840180.631760216020211025002024502840180.701710211020206024502024502840180.801710206020201024002024002840180.901710206020201023502023502750181.0016602

46、01020196023002023002690181.201620196020191022502022502550181.401620191020186022102021502450181.601570186020181021602021102400181.801520181020176021102020102300182.001470176020171020102019102200182.201420171015166019601518102110132.501420171015166019601517602060132.801370167015162019101517102010133.0

47、01370167015157018601517101960133.20132016201215701810121660191083.50132016201215701810121660191084.00132016201215201760121620186084.50132015701015201760101620186055.00132015701014701710101570181055.501270152081470171081570181036.001220147081420166081520176036.3012201470142016107.0011701420137015708.

48、0011701420137015709.00113013201320152010.00113013201320152011.00108012701270147012.00108012701270147013.001030122012201420說明：w 4.0mm的D級鋼絲和 6.0mm的B級、C級鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈、纏繞后的試樣表面不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。4.0mm的D級鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞 2圈，纏繞后的試樣表面不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。6.00mm的鋼絲應(yīng)進(jìn)行彎曲檢驗(yàn)， 試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲 90,彎曲后不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。該標(biāo)準(zhǔn)鋼絲主要用于制作靜態(tài)機(jī)械彈

49、簧，其服役期振動頻次要高于非機(jī)械彈簧，對疲勞壽命有一定的要求，成品也增加扭轉(zhuǎn)性能的考核。因此對鋼絲用盤條應(yīng)采用電爐或電爐+爐外精煉法冶煉，盤條中P 0.030%、S 0.020%等。成品鋼絲顯微組織中如含有游離鐵素體，會降低彈簧疲勞壽命，而控軋 控冷盤條中一般均存有515%勺游離鐵素體，不宜直接生產(chǎn)成品鋼絲。按此標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)的鋼絲原則上成前應(yīng)經(jīng)鉛浴處理，消除游離鐵素體組織，成品鋼絲顯微組織應(yīng)為纖維化索氏體組織。成品鋼絲繞制彈 簧后應(yīng)進(jìn)行消處應(yīng)力熱處理，推薦熱處理工藝如表10。表10 B、C和D組碳素彈簧鋼絲消除應(yīng)力熱處理工藝彈簧用途熱處理溫度廠C時 間/min 1.25 3.0mm 3.0 9.5mm 9.5mm一般載荷21523015 2020 2525 3030 45重載荷23026020 3030 4040 5050 60高溫下使用27529030 4545 6060 8060