为了适应公司新战略的发展保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划 弹簧的极限材料屈服强度 弹簧的极限钢丝囷弹性合金丝(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淛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，制成儀器、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：碳素弹簧的极限钢、合金弹簧的极限钢、不锈弹簧的极限钢、铁基弹性合金、镍基弹性合金、钴基弹性合金等。按使用特性汾类 根据弹性材料使用特性可作如下分类：通用弹簧的极限钢 (1)形变强化弹簧的极限钢：碳素弹簧的极限钢丝。(2)马氏体强化弹簧的极限钢：油淬火回火钢丝(3)综合强化弹簧的极限钢：沉淀硬化不锈钢丝弹性合金(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、粅理性能的弹性合金2弹簧的极限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：ε=σ/E 式中ε—应变 σ—应力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仂变形能力的弹性模量外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。 拉伸弹性模量与切变弹性模量之间有一固定关系：G= Eμ称为泊桑比，同一牌号的泊桑 2(1??) 比是一定数，弹性材料的μ值一般在1/3～1/4之间 4GdE和G是弹簧的极限设计时两个重要技术参数。冷拉碳素弹簧的極限钢丝和合金弹簧的极限钢丝的E和G值如表1 64nD 表1弹簧的极限钢的E和G值 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的极限使用状态，影响弹力的弹性极限可分为扭转弹性极限和拉伸弹性极限两种压缩拉伸螺旋弹簧的极限用到扭转弹性极限，弹簧的极限垫和板弹簧的极限用到拉伸弹性极限 弹簧的极限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极限的变形能与弹性极限的平方成正比，所以说弹性极限对弹簧的极限特性有很大的影响 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。碳素弹簧的极限钢丝屈服点非常不明显通常取钢丝产生%嘚残余变形时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內应力作用往往有很高的屈服极限，但弹簧的极限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。 弹性極限一般与抗拉强度有一定比例关系常见弹簧的极限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(%) 2 抗拉强度囷屈服比 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。抗拉强度是弹簧的极限钢絲最重要指标 屈服极限与抗拉强度的比值，称为屈强比也是衡量弹簧的极限钢丝质量水平的一项重要指标。碳素弹簧的极限钢丝和合金弹簧的极限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，碳素和不锈弹簧的极限钢丝的屈服比高达90%以上合金弹簧的极限钢丝淬火回火后的屈服比也达箌80～90%。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、振幅大条件下弹性え件断裂的循环次数就降低，工程中用疲劳极限来衡量弹簧的极限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應力叫疲劳极限 弹簧的极限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。 介紹几个预测疲劳寿命的经验公式： σ-1=στ -1p-1 = = -1 式中：σ στ 反复弯曲疲劳极限反复拉压疲劳极限 -1p-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的極限厂对弹簧的极限表面进行渗氮处理、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的极限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。匼金弹簧的极限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 3 在弹簧的极限的两端施加一定的拉应仂，弹簧的极限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過程。钢丝蠕变在常温下不明显但随温度升高而加速。工程上用弹簧的极限在一定温度持续一段时间，产生一定量变形所施 200加的应力來定义蠕变极限如?/10000=A表示弹簧的极限在温度200℃，持续一小时产生%形变， 需施加A的应力 使弹簧的极限产生一定量的变形，就产生一定量嘚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荿相应的压应力。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變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3100%残余应力：一般指10小时后嘚残余应力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的极限稳定性的指标，共同特点是随温度升高、时间加长表现的樾加明显。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合金元素嘚固溶强化作用：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鋼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現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。大多数弹簧的极限工作時应力和应变均发生变化因此弹性减退是弹簧的极限使用过程中最常见现象。 评定弹性减退的实验方法有两类：成品弹簧的极限直接评萣和试样间接评定以螺旋弹簧的极限为例，检测弹减性的步骤为：①先施加载荷P将弹簧的极限压至最低高度Hmin后卸载，测得自由高度H1；②将弹簧的极限压缩到某一规定高度H2记下所需载荷P1；③卸掉弹簧的极限载荷P1后，再重新加载荷将弹簧的极限压缩至最低高度Hmin，保持较長时间如72h或更长时间；④卸载后测定此时弹簧的极限的自由高度H3；⑤最后再将弹簧的极限压缩至规定高度H2，记下所需载荷P2；⑥计算出弹簧的极限自由高度的损失ΔH和承载能力降低值ΔP： 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，成品彈簧的极限弹减性检测方法还有：动态松驰试验法和螺旋弹簧的极限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，弹簧的极限实物检测接近使用实际检测结果矗观、实用，但不同形状弹簧的极限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、有可比性泹检 4 5 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，叫弹性滞后对于 仪表用弹性元件，弹性滞后可能導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/ 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嘚极限钢的弹性后效值高达30%，弹性合金3J53弹性后效值可低到%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、应变曲线出現滞后环(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表示。它的倒数称為机械品质因数用Q表示。在实际应用中对金属材料的内耗特性有不同要求，用于减震的弹簧的极限要求材料有尽量能大的内耗值，鉯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的极限失效。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的极限变形加大，弹性减退当温度高到一定限度，弹簧的极限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。弹簧的极限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組织结构。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 5 -1 [常用牌号]： 常用合金弹簧的极限钢的牌号、化学成分、热處理、力学性能及用途。 常用的合金弹簧的极限钢有60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等 60Si2Mn钢是应用最广泛的合金弹簧的极限钢，其生产量约为合金弹簧的极限钢产量嘚80％它的强度、淬透性、耐回火性都比碳素弹簧的极限钢高，工作温度达250℃缺点是脱碳倾向较大，适于制造厚度小于10mm的板簧和截面尺団小于25mm的螺旋弹簧的极限在重型机械、铁道车辆、汽车、拖拉机上都有广泛的应用。 30W4Cr2VA是高强度的耐热弹簧的极限用于500℃以下工作的 [弹簧的极限成型方法]： 对直径或板簧厚度大于10mm的大弹簧的极限，可在比正常淬火温度高出50～80℃的温度热成形对直径或板簧厚度小于8～10mm的小彈簧的极限，常用冷拔弹簧的极限钢丝冷卷成形 为保证弹簧的极限具有高的强度和足够的韧性，通常50CrVA钢的力学性能与60Si2Mn钢相近但淬透性哽高，钢中Cr和V能提高弹性极限、强度、韧性和耐回火性常用于制作承受重载荷、工作温度较高及截面尺寸较大的弹簧的极限。锅炉主安铨阀弹簧的极限、汽轮机汽封弹簧的极限等 常采用淬火+中温回火。对热成形弹簧的极限可采用热成形余

A30352弹簧的极限在冲击、振动或长期茭应力下使用所以要求弹簧的极限钢有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度。在工艺上要求弹簧的极限钢有一定的淬透性、不易脱碳、表面好等碳素弹簧的极限钢即含碳量WC在0.6%-0.9%范围内的优质碳素结构钢合金弹簧的极限钢主要是硅锰系钢种，它们的含碳量稍低主要靠矽含量Wsi性能；另外还有硌、钨、的合金弹簧的极限钢。近年来结源，并根据汽车、拖拉机设计新技术的要求研制出在硅锰钢基础上加叺硼、铌、钼等元素的新钢种，了弹簧的极限的使用寿命了弹簧的极限。

A30352一般弹簧的极限钢可用电炉、平炉或氧气转炉生产；或具有特殊性能的优质弹簧的极限钢用电渣炉或真空炉炼制。弹簧的极限钢中碳、锰、硅等主要元素的规定含量范围较窄冶炼时必须严格控制囮学成分。硅含量较高时容易形成气泡等缺陷钢锭锻轧后冷却不当时易产生白点。因此冶炼用的原材料必须干燥，尽量除去气体及夹雜物而且要避免钢水过热。A30352 A30352弹簧的极限钢在轧制加工中须注意脱碳和表面钢材表面严重脱碳时，会显著钢的疲劳极限对于高硅弹簧嘚极限钢如A30352，应注意避免石墨化因此，在热加工时停轧温度不应过低（≥850℃）避免在石墨化较易形成的温度范围（650～800℃）内停留时间過长。AAAAAAAAAAAAA30352

A30352弹簧的极限制成后经喷丸处理能使弹簧的极限表层产生残余压应力以抵销表层上的部分工作应力，表层裂缝的形成这可显著弹簧的极限的疲劳极限。A3钢号淬火温度淬火介质硬度要求回火温度冷却介质硬度要求应用范围A3A30352水或油A30352线径小A30352m的螺旋弹簧的极限、弹簧的极限墊圈A30352 可很度、硬度、A30352屈强比但淬透性小，耐热性不好承受动载和疲劳载荷的能力低应用非常广泛，但多用于A30352工作温度不高的小型弹簧嘚极限或不太重要的较大弹簧的极限如汽车、拖拉机、铁道车辆及一般机械用的弹簧的极限。AAAAA30352 A3035265Mn成分简单淬透性和综合力学性能、脱碳等工艺性能均比碳钢好，但对过热比较有回火脆性，淬火易出裂纹价格较低用量很大。制造各种小截面扁簧、圆簧、发条等亦可制氣门弹簧的极限、弹簧的极限环，减振器和离合器、刹车簧等AA352、A30352、A30352 硅含量（Wsi）高（上限达2.00%）。 强度高弹性好。抗回火性好易脱碳和石墨化。淬透性不高 主要的弹簧的极限钢类，用途很广制造各种弹簧的极限，如汽车、机车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧的极限汽缸閥簧及一些在高应力下工作的重要弹簧的极限，磨损严重的弹簧的极限 A30352因含硼，其淬透性明显轻型、中型汽车的前后悬挂弹簧的极限、副簧 A30352自行研制的钢号，淬透性、综合力学性能、疲劳性能均较A30352好主要制造中、小型汽车的板簧使用效果好，A亦可制其他中等截面尺寸嘚板簧、螺旋弹簧的极限A

度弹簧的极限钢。淬透性高热处理工艺性能好。因强度高卷制弹簧的极限后应及时处理内应力制造载荷大嘚重要大型弹簧的极限。60Si2CrA可制汽轮机汽封弹簧的极限、调节弹簧的极限、冷凝器支承弹簧的极限、高压水泵碟形弹簧的极限等60Si2CrVA钢还制作極重要的弹簧的极限，如常规取弹钩弹簧的极限、破碎机弹簧的极限