弹簧力学性能文档格式.docx
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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
80000～82700
50CrV
196500
77200
55CrSi
203400
60Si2MnA
200000
74100
60Si2CrVA
205800
30W4Cr2V
1Cr13Ni2（414）
3Cr13（420）
1Cr17Ni2（431）
206000
77300
1Cr18Ni9（302）
193000
68950
0Cr17Ni7Al
75840
2.2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（τe）和拉伸弹性极限（Re）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=2τe2/2G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0.2%的残余变形时的应力作为屈服极限（RP0.2）。
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（%）
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
油淬火回火65Mn
85～90
50～60
50CrV（油淬火回火）
88～93
65～75
55CrSi（油淬火回火）
78～86
55～65
65～70
42～55
72～76
50～55
75～85
55～60
2.3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=0.47Rm
σ-1p=0.32Rm
τ-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
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（Ro-Rn/Ro）×
100%。
残余应力：
一般指105小时后的残余应力Rr，Rr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=H1-H3
ΔP=P1-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εe（见图1），载荷持续一段时间后应变量增加εt，则弹性后效为Hi。
Hi=εt/（εe+εt）
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，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/℃
120～160
500
175
3Cr2W8V
350～500
50CrVA
200～220
3Cr13
315
55CrSiA
245～250
300
250
0Cr17Ni7Al（17-7PH）
340
350
0Cr15Ni7Mo2Al（PH15-7Mo）
430
65Si2MnWA
0Cr15Ni25Ti2MoVB（GH2132）
500～550
45CrMoVA
450
0Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2B（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βE和βG来表示E和G的弹性模量温度系数，弹性合金标准经常用到某一温度区间的弹性模量温度系数，其定义为：
βE=
βG=
βE—弹性模量温度系数，10-6×
/℃
βG—切变弹性模量温度系数，×
10-6/℃
t1、t2—温度，℃。
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
。
一般金属和合金（部分铁磁性合金除外）的m大约在（40～42）×
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βE的值。
因为G=
，
是随着温度升高而增加的，βG值一般小于βE值。
（3）频率温度系数
用弹性材料制作的一些弹性元件，如滤波振子和音叉等，工作时要用到频率温度系数这项性能，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，常用
来表示。
弹性材料的共振频率与弹性模量之间有如下关系：
E=
E—弹性模量
—共振频率
—弹性试样长度
—弹性试样直径
—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：
—线膨胀系数
（4）铁磁性金属和合金的弹性反常变化
一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（βE＜0＝，而纯镍和部分Fe-Ni，Fe-Cr-Co合金在室温附近的弹性模量变化很小（βE≈0），甚至增大（βE＞0），这种现象被称为弹性反常变化。
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。
2.10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（Φ>
6.0mm），试样沿r=10mm的圆弧向不同方向弯曲90o，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90o，然后向相反方向反复弯曲，直至断裂，记下反复弯曲次数（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dg
0.3～0.5
1.25±
0.05
15
2.0
＞0.5～0.7
1.75±
＞0.7～1.0
2.5±
0.1
＞1.0～1.5
3.75±
20
＞1.5～2.0
5.0±
2.0和2.5
＞2.0～3.0
7.5±
25
2.5和3.5
＞3.0～4.0
10±
35
3.5和4.5
＞4.0～6.0
15±
50
4.5和7.0
＞6.0～8.0
20±
75
7.0和9.0
＞8.0～10.0
25±
100
9.0和11.0
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（Ab）可用公式表示：
=
Ab—弯曲伸长率
d—钢丝直径
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20%确定的，每一组距钢丝对应一定的圆柱半径。
在同一组距中，直径最细的钢丝弯曲伸长率最小（Ab=12%～15%），弯曲次数最高。
随着钢丝直径加大，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：
r1、r2—弯曲半径
Nb1、Nb2—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=
×
eψ/2×
（ψ-ψFe3C）2
Nt——扭转次数预测值；
L——扭转试样长度（mm）；
d——钢丝直径（mm）；
ψ——变形指数（ψ=2×
ln
）；
ψFe3C——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±
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/mm2
0.3～＜1.0
200d
180
1.0～＜3.6
100d
60
3.6～＜5.0
30
5.0～10.0
50d
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（≤2%Rm）,长扭距钢丝产生局部弯曲的可能性也比短扭距要大。
一般说来扭距加大1倍，扭转次数略小于2倍次数；
扭距缩小1倍，扭转次数略大于1/2倍次数，偏差不超过10%。
（3）缠绕试验
缠绕试验是考察钢丝绕制弹簧是否顺利的最直接的方法。
无论冷拉弹簧钢丝还是油淬火回火钢丝均考核缠绕性能。
一般说来大规格钢丝（∮＞6.0mm）检测单次弯曲性能，中小规格钢丝（∮≤6.0mm）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d～3d的芯棒上紧密缠绕3～8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15.0mm。
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次数达1×
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103～104次。
一般载荷指设计寿命105～106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×
106次，载荷应力越低，寿命越长。
图2冷拉碳素弹簧钢丝（ASTMA227级别Ⅱ）制作压缩和拉伸弹簧时推荐许用应力
重载荷指长时间工作、振动频繁
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