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(shí)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、鈷基彈性合金等

2、。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 彈性模量鋼絲在拉力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)拉力不超過一定值時(shí)，變形大小與外力成正比，通常稱為虎克定律。公式如下： = /E式中 應(yīng)變（變形大小） 應(yīng)力（外力大?。〦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量 ) 是衡量金屬材

3、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= E，稱為泊桑比，同一牌2(1)號的泊桑比是一定數(shù)，彈性材料的值一般在1/3 1/4 之間。E 和 G是彈簧設(shè)計(jì)時(shí)兩個重要技術(shù)參數(shù) （拉壓螺旋彈簧的軸向載荷力 P= Gd 4，扭轉(zhuǎn)螺8nD 3旋彈簧的剛度 P= Ed 4）。冷拉碳素彈簧鋼絲和合金彈簧鋼絲的E 和 G值如表 1。64nD表 1 彈簧鋼的 E 和 G值材料名稱E(Mpa)G(Mpa)

4、冷拉碳素彈簧（ 65Mn,70）196500 1986007860080670冷拉碳素彈簧（ T8MnA,T9A）193000 203400800008270050CrV1965007720055CrSi2034007720060Si2MnA2000007410060Si2CrVA20580030W4Cr2V2058001Cr13Ni2(414)200000772003Cr13(420)200000772001Cr17Ni2(431)206000773001Cr18Ni9(302)193000689500Cr17Ni7Al203400758402.2 彈性極限和屈服極限鋼絲在彈性范圍內(nèi)承受外力

5、產(chǎn)生一定變形，外力消除鋼絲恢復(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（ e）和拉伸彈性極限（ Re ）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=2e 2/2G 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(shí)的最

6、小應(yīng)力。碳素彈簧鋼絲屈服點(diǎn)非常不明顯，通常取鋼絲產(chǎn)生0.2%的殘余變形時(shí)的應(yīng)力作為屈服極限（ RP0.2 ）。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60 7545 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

7、火回火）88 9365 7555CrSi （油淬火回火）88 9365 7560Si2MnA78 8655 651Cr13Ni2(414)65 7042 553Cr13(420)65 7545 551Cr17Ni2(431)72 7650 551Cr18Ni9(302)65 7545 550Cr17Ni7Al75 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(shí)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

8、 50%，奧氏體不銹鋼固溶狀態(tài)下的屈強(qiáng)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(shí)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 80 90%。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(shí)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(shí)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(shí)的最大負(fù)載應(yīng)力

9、叫疲勞極限。彈簧鋼絲的疲勞極限與鋼絲的屈服極限成正比，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： -1 =0.47Rm -1p =0.32Rm -1 =0.22Rm式中： -1 反復(fù)彎曲疲勞極限 -1p 反復(fù)拉壓疲勞極限 -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

10、，目的是通過提高表面強(qiáng)度來提高疲勞極限。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(shí)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(shí)間以小時(shí)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(shí)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(shí)間，產(chǎn)生一定量變形所施加的應(yīng)力來定義蠕變極限。如200/10000=A表示彈0.002簧在

11、溫度 200，持續(xù)一小時(shí)，產(chǎn)生0.002%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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，應(yīng)力減小值與原始應(yīng)力之比，即（ Ro-Rn/Ro） 100%。殘余應(yīng)力：一般指 105 小時(shí)后的殘余應(yīng)力 Rr ， Rr 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)

12、定性的指標(biāo)，共同特點(diǎn)是隨溫度升高、時(shí)間加長，表現(xiàn)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

13、的彈性減退，三者反映出材料的同一本質(zhì)特性。大多數(shù)彈簧工作時(shí)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 Hmin（約為彈簧自由高度 H0 的 1/4 ）后卸載，測得自由高度 H1 ；將彈簧壓縮到某一規(guī)定高度 H2（約為 H0 的 2/3 ），記下所需載荷 P1；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(shí)間，如 72h 或更長時(shí)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(shí)彈簧的自由

14、高度 H；最后再將彈簧壓縮至規(guī)定高度H ，記下所需載荷 P ；322計(jì)算出彈簧自由高度的損失H 和承載能力降低值P：H=H1-H3P=P-P21根據(jù) H 和 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

15、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(shí)間效應(yīng)除蠕變、松弛和彈性減退性能外，反映彈性時(shí)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(shí)間后應(yīng)變量增加 t ，則彈性后效為 Hi 。Hi =t / （ e+t ）加載時(shí)的 Hi 為正彈性后效，卸載時(shí)Hi 為反彈性后效。測量彈性后效時(shí)，以加載和卸載 10 分鐘時(shí)測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。碳素彈簧鋼

16、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)彈性元件周期振動時(shí)，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 Q-1 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(shí)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

17、低。 圖 1 單向循環(huán)載荷的彈性滯后環(huán)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(shí)，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(shí)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 / 牌號最高使用溫度 / 冷拉碳素彈簧鋼絲12016030W4Cr2V500油淬火回

18、火碳素彈簧鋼絲1753Cr2W8V350 50050CrVA2002203Cr1331555CrSiA2452501Cr18Ni9(302)30060Si2MnA2500Cr17Ni7Al(17-7PH)34060Si2CrVA3500Cr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo)43065Si2MnWA3500Cr15Ni25Ti2MoVB(GH2132)500 55045CrMoVA4500Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2B(GH2135)550 600(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

19、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)。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，這種變化被稱為彈性模量 - 溫度關(guān)系的正常變化。 可以分別用 E 和 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：E=EE (t2t1 )G=GG(t2t1 )式中： E彈性模量溫度系數(shù)，G切變彈性模量溫度系數(shù)， t 1 、t 2溫度，。-610 / 10-6 / 金屬和合金的彈性模量溫度系數(shù)與線膨脹系數(shù)( ) 一樣，是與原子間距變化密切相關(guān)的物理量

20、， 兩者之間的比值是一個常數(shù)，即m 。一般金屬和合金（部分鐵磁性合金除E外）的 m 大約在 (40 42) 10-3左右，所以在溫度變化范圍不太大時(shí)，可以按值近似地估算出 E 的值。因?yàn)?G=E，是隨著溫度升高而增加的， G值一般小于 E 值。2(1)(3) 頻率溫度系數(shù)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(shí)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，常用f 來表示。彈性材料的共振頻率與彈性模量之間有如下關(guān)系：3E=k l 4 fr 2d式中： E彈性模量f r 共振頻率l 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)

21、與彈性模量溫度系數(shù)之間的關(guān)系：彎曲振動時(shí)的頻率溫度系數(shù)：fE2扭振動時(shí)的頻率溫度系數(shù)：f2G式中：線膨脹系數(shù)(4) 鐵磁性金屬和合金的彈性反常變化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( E 0，而純鎳和部分 Fe-Ni ，F(xiàn)e-Cr-Co 合金在室溫附近的彈性模量變化很小 ( E0) ，甚至增大 ( E 0) ，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

22、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90o，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 90o ，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

23、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 0.1152.0 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 4.0100.1353.5和 4.5 4.0 6.0150.1504.5和 7.0 6.0 8.0200.1757.0和 9.08.0 10.0250.11009.0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

24、平面內(nèi)進(jìn)次多次反向彎曲時(shí)所能承受的變形能力。鋼絲沿彎曲圓柱彎曲時(shí)，外層表面會產(chǎn)生一定的延伸變形，其彎曲伸長率(A b) 可用公式表示：Ab = d2r式中： Ab 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小(Ab=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：式中： r 1、 r 2彎曲半徑Nb1 、Nb2彎曲次數(shù)從

25、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，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(shí)，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、

26、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(shí)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(shí)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

27、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 = Ld Fe63 C e /2 （ - Fe3 C）2式中： Nt 扭轉(zhuǎn)次數(shù)預(yù)測值；L扭轉(zhuǎn)試樣長度（ mm）；d鋼絲直徑（ mm）；變形指數(shù)（ =2ln d0 ）；d1 Fe3 C 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(shí)，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

28、 L最大扭轉(zhuǎn)次數(shù) r/mm20.3 1.0200d1801.0 3.6100d603.6 5.0100d305.0 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(shí)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(shí)應(yīng)注意，扭距與扭轉(zhuǎn)次數(shù)并不是嚴(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 ( 2%Rm), 長扭距鋼絲產(chǎn)生局部彎曲的可能性也比短扭距要大。一般說來扭距加大 1 倍，扭轉(zhuǎn)次數(shù)略小于2 倍次數(shù)；扭距縮小1 倍，扭轉(zhuǎn)次數(shù)略大于1/2 倍次數(shù)，偏差不超過10%。(3 ）纏繞試驗(yàn)纏繞試驗(yàn)是考察

29、鋼絲繞制彈簧是否順利的最直接的方法。無論冷拉彈簧鋼絲還是油淬火回火鋼絲均考核纏繞性能。一般說來大規(guī)格鋼絲（ 6.0mm）檢測單次彎曲性能，中小規(guī)格鋼絲（ 6.0mm）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3 8 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

30、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，要求在高溫時(shí)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)

31、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(shí)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(shí)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)1 106 次以上的彈簧，如發(fā)動機(jī)閥門彈簧，車輛懸掛簧

32、，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(shí)主要考慮抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，動態(tài)彈簧選材時(shí)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 1 106 次，載荷應(yīng)力越低，壽命越長。圖 2 冷拉碳素彈簧鋼絲 (ASTMA227級別 ) 制作壓縮和拉伸彈簧時(shí)推薦許用應(yīng)力重載荷指長時(shí)間工作、振動頻繁的彈簧。

33、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%左右使用，使用壽命大于1106 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 0.60 0.90%的碳和 0.3 1.20%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) 30010-6 / ) ，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

34、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(shí)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/T1222-1984JISG3506-1996ASTMA510M-1996DIN17222-1979GB/T1298-1986GB/T5218-1999JISG4801-1984ASTMA752M-93DIN17223-1990GB/T18983-2003GJB5259-20

35、0360SWRH62A105965MnSWRH67B1065C6070SWRH72A1069CK6770MnSWRH72B1070BT8MnASWRH82B1085CK85WT9ASUP4109050CrVA(Cr-VA)SUP10615050CrV4Cr-VB(67CrVA)VDCrV55CrSiSUP12925455CrSi6355CrMnASUP9515555Cr355Si2MnASUP6925555Si760Si2MnASUP7926060SiCr7高彈性合金3J1（0Cr12Ni36Ti3Al ）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

36、用溫度250，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（0.4 10-6 / ），彈性后效低（ 0.05%），品質(zhì)因素高（ Q1000015000），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（1Cr19Mn2Ni

37、16Co40M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 Rm高達(dá) 2950Mpa。同時(shí)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) 400 500。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(shí)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)異的疲勞強(qiáng)度和抗松弛性能，即使在538高溫下，其E 值為163000Mpa，G 值為 62000Mpa。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

38、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/T525

39、6-1993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

40、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(shí)（ 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(shí)（6.0mm）索氏體化的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

41、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(shí)油淬火 - 回火鋼絲的抗松弛性能優(yōu)于冷拉鋼絲， 使用溫度（ 175）也高于冷拉鋼絲 （120 160）。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)。4.1.1YB/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，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，A3 A9 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

42、 200Mpa。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 8。表 8YB/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A50.32.619

43、802180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： 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 90o，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 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

44、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(shí)允許選用轉(zhuǎn)爐鎮(zhèn)靜鋼作為原料。4.1.2GB/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 T8MnA（ 82B）生產(chǎn)。表 9GB/T4357-89 碳素彈簧鋼絲直徑B 組C 組D 組抗拉強(qiáng)度

45、扭轉(zhuǎn)次數(shù)抗拉強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)次數(shù)不抗拉強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)次數(shù)不mmMPa不小于MPa小于MPa小于0.222110250020235027502026903090180.252060245020230027002026403040180.282010240020230027002026403040180.302010240020230027002026403040180.321960235020225026502026002990180.351960235020225026502026002990180.401910230020225026502026002990180.45186022602022002600

46、2025502940180.501860226020220026002025502940180.551810221020215025502025002890180.601760216020211025002024502840180.631760216020211025002024502840180.701710211020206024502024502840180.801710206020201024002024002840180.901710206020201023502023502750181.001660201020196023002023002690181.20162019602019

47、1022502022502550181.401620191020186022102021502450181.601570186020181021602021102400181.801520181020176021102020102300182.001470176020171020102019102200182.201420171015166019601518102110132.501420171015166019601517602060132.801370167015162019101517102010133.001370167015157018601517101960133.20132016

48、201215701810121660191083.50132016201215701810121660191084.00132016201215201760121620186084.50132015701015201760101620186055.00132015701014701710101570181055.501270152081470171081570181036.001220147081420166081520176036.3012201470142016107.0011701420137015708.0011701420137015709.00113013201320152010.00113013201320152011.00108012701270147012.00108012701270147013.001030122012201420說明 : 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