弹簧力学性能

弹簧力学性能

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 =

E，μ称为泊桑比，同一牌号的泊桑比是一

+

)

1(2μ

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=3

48nD Gd ，扭转螺旋弹簧的刚度

P=

nD

Ed 644）。冷拉碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的E 和G

值如表1。

表1 弹簧钢的E 和

G 值

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（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=2τe2/2G或U=2R e2/2E），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 ( % )

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=0.47R

m

σ

-1p =0.32R

m

τ

-1=0.22R

m

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