弹簧力学性能#

1、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

2、等。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：=/E式中 应变变形大小) 应力 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。项目上除表示金属

3、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 ， 称为泊桑比，同一牌号的泊桑2(1 )比是一定数，弹性材料的 值一般在 1/3 1/4 之间。刚度 P=Ed4。冷拉碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的E和 G值如表 1。P= Gd 3 ，扭转螺旋弹簧的8nD3E 和 G 是弹簧设计时两个重要技术参数 G (Mpa冷拉碳素弹簧 65Mn,70 ）196500 19860078600 80670冷拉碳素弹簧 200000772003Cr13 (420200000772001Cr17Ni2(431206

4、000773001Cr18Ni9(302193000689500Cr17Ni7Al20340075840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 e）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=2 e2/2G或 U=2Re2/2E），所以说弹性极限对弹簧特性有很大的影响。

5、钢丝在拉伸实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 材料名称拉伸弹性极限扭转弹性极限冷拉碳素弹簧钢丝607545 55油淬火回火碳素弹簧钢丝809045 55油淬火回火 65Mn859050 6050CrV 油淬火回火）8893657555CrSi657042553Cr13 (420657545 551Cr17Ni2(431727650 551Cr18Ni9(302657545 550Cr17Ni7Al758555

6、 60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，拉力实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%。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

7、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，项目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： -1 =0.47R m -1p =0.32R m -1 =0.22R m式中： -1 反复弯曲疲劳极限 -1p 反复拉压疲劳极限 -1 反复扭转疲劳极限 疲劳断裂往往先从钢丝表面形成，

8、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。/ 36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）

9、，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。项目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02.00002 /10000=A 表示弹簧在温度 200，持续一小时，产生 0.002%形变，需施加 AMPa）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

10、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：钢中气体和夹杂物含量：含量低蠕变小。晶粒度：粗晶粒度钢有较 高的抗蠕变能力。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。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。

11、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：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

12、 得自由高度 H1；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；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）；卸载后测定此时弹簧的自由高度H3；最后再将弹簧压缩至规定高度 H2，记下所需载荷 P2；计算出弹簧自由高度的损失 H和承载能力降低值 P： H=H1-H 3 P=P1-P 2根据H和P 的大小判定弹性材料的弹减抗力， H和 P越小，弹减抗力越大。此外，成品弹 簧弹减性检测方法还有：动态松驰实验法和螺旋弹簧剪切实验法等。试样间接评定基本采用金

13、属拉伸 试样，检测方法有：拉伸松驰实验法、鲍辛格 Baushinger ）扭转实验法、鲍辛格拉、压实验法和扭 转蠕变实验法。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/ 36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。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 弹性后效弹性元件加载荷后产生应变 e（ 见图 1，载荷持续一段时间后

14、应变量增加 t ，则弹性后效为Hi。Hi = t/。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。 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，弹簧失

15、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 /牌号最高使用温度 / 冷拉碳素弹簧钢丝12016030W4Cr2V500油淬火回火碳素弹簧钢丝1753Cr2W8V350 50050CrVA2002203Cr1331555CrSiA2452501Cr18Ni9(30230

16、0/ 3660Si2MnA2500Cr17Ni7Al(17-7PH34060Si2CrV A3500Cr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo43065Si2MnWA3500Cr15Ni25Ti2MoVB(GH2132500 55045CrMoV A4500Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2B(GH2135550 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

17、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E和G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：E=EE(t2 t1)G=G(t2Gt1)式中： E弹性模量温度系数，G切变弹性模量温度系数，10 -6 /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Em般金属和合金 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E 的值。因为G=E2(1 )是随着温度升高而增加的，G 值

18、一般小于 E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，f 来表示。弹性材料的共振频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 率与弹性模量之间有如下关系：3E=k l 4 frd式中： E 弹性模量fr 共振频率l 弹性试样长度d 弹性试样直径k 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： f E f2/ 36扭振动时的频率温度系数： f G 式中： 线膨胀系数f2(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( E，甚至增大

19、 ( E0，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。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 三项实验。(1 )弯曲实验 弯曲实验方法有了两种：单次弯曲和反复弯曲。单次弯曲适用于直径较大的钢丝 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。反复弯曲实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

20、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 0.50.71.75 0.05152.00.71.02.50.1152.01.01.53.750.1202.01.52.05.00.1202.0 和 2.52.03.07.50.1252.5 和 3.53.04.0100.1353.5 和 4.54.06.0150.1504.5 和 7.06.08.0200.1757.0 和 9.08.010.0250.11009.0 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实验的实质是：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

21、能力。钢丝(A b可用公式表示：20%确定的，每一组距钢丝对沿弯曲圆柱弯曲时，外层表面会产生一定的延伸变形，其弯曲伸长率Ab=2dr式中： 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/ 36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(A b=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：2(2r1 d)2 Nb12(2r2 d)2 Nb2式中： r1 、r 2弯曲半径 Nb 1 、 N

22、b2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 扭转实验 扭转性能是冷拉碳素弹簧钢丝的一项重要的考核指标。扭转实验实质是：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

23、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：扭转实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著降低。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

24、，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 = L Fe3C e/2- Fe3C)2 d6式中： Nt 扭转次数预测值； L扭转试样长度 mm)； d钢丝直径 mm)； 变形指数 =2ln dd0 )；d1Fe3C 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, 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 )缠绕实验缠绕实验是考察钢丝绕制弹簧是否顺利

25、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 SUP10615050CrV4Cr-VB(67 CrV AVDCrV/ 3655CrSiSUP12925455CrSi6355CrMnASUP9515555Cr355Si2MnASUP6925555Si760Si2MnASUP7926060SiCr7高弹性合金 3J10Cr12Ni36Ti3Al ）是奥氏体沉淀硬化型合金，具有高的弹性极限，良好的抗松弛性能，优良的耐蚀性能，无磁，最高使用温度250，主要用于制作自动化仪表中的波纹管，螺旋弹簧，压力传感器传送杆等。恒弹

26、性合金 3J5300Cr6Ni42Ti2.5Al ）的弹性模量高，弹性模量温度系数可以通过热处理调整，在室温条件下，温度系数可以调到接近零的水平0.4 10-6/），弹性后效低 0.05%），品质因素高 Q 10000 15000），加工性能好，可制成形状复杂的弹性元件。主要用于制造声学，电学仪器 中的频率发生元件，如机械滤波器的振子、标准频率震荡器，和制造精密灵敏弹性元件，如精密天平 的弹簧和膜片，以及钟表游丝等。钴基弹性合金 3J211Cr20Ni16Mo7Co40）和 3J221Cr19Mn2Ni16Co40M03.5W4.5）是综合性能优 异的弹性合金，具有高的弹性模量，高的弹性极限，

27、极低的弹性后效0.02%）。经冷加工其抗拉强度Rm 高达 2950Mpa。同时还具有高的疲劳寿命，高硬度，高耐磨，缺口敏感性低，工作温度高达400500。主要用于制作轴类，张力丝，特种轴承，对弹性敏感性要求高的弹性元件。GH2132是沉淀硬化型高温合金，在固溶+冷变形 +时效处理状态下，具有很高的蠕变极限和高温持久性能，优异的疲劳强度和抗松弛性能，即使在538高温下，其 E 值为 163000Mpa， G 值为62000Mpa。主要用于制作飞机发动机油门弹簧，显像管支撑弹簧，发动机片弹簧等。4 弹簧钢丝标准，应用范围及工艺控制要点。我国弹簧钢丝标准分钢类制定，包括碳素弹簧钢丝标准 5 个，合金

28、弹簧钢丝标准 2 个，油淬火 - 回火弹簧钢丝标准 1 个，弹性合金标准 7 个，标准明细如表 7。表 7 弹簧钢丝标准明细序号标准代号标 准 名 称1YB/T5220-93非机械弹簧用碳素弹簧钢丝2GB/T4657-89碳素弹簧钢丝3GB/T4358-1995重要用途碳素弹簧钢丝4GJB1497-92特殊用途碳素弹簧钢丝规范5GJB5260-2003航空用碳素弹簧钢丝规范6GB/T5218-1999合金弹簧钢丝7GJB5259-2003航空用合金弹簧钢丝规范8GB/T18983-2003油淬火 -回火弹簧钢丝9YB/T5256-1993弹性元件用合金 3J1和 3J5310YB/T5254-

29、1993频率元件用恒弹性合金 3J53 和 3J5811YB/T5253-1993弹性元件用合金 3J2112YB/T5252-1993轴尖用合金 3J22 丝材13YB/T5244-1993正温度系数恒弹性合金 3J6314YB/T5243-1993抗震耐磨轴尖合金 3J4015YB/T5135-1993发条用高弹性合金 3J92Cr19Ni9Mo ）4.1 碳素弹簧钢丝/ 36碳素弹簧钢丝现行国标和行业标准分为两类型：一类是冷变形强化钢丝，又称冷拉弹簧钢丝。冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅浴处理获得索氏体组织，然后经表面磷化，以很大减面率拉拔到成 品尺寸，钢丝组织呈纤维状，有很高的抗拉强度和弹性极

30、限，良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝 尺寸精度高，表面光洁，无氧化和脱碳缺陷，疲劳寿命比较稳定，是使用最广泛的弹簧钢丝。碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝，又称油淬火 - 回火钢丝。碳素钢丝通过淬火 - 回火 处理，可获得良好的综合力学性能，当钢丝规格较小时2.0mm），油淬火 - 回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时 6.0mm）索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标，而油淬火- 回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下，马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金 相组织呈纤维状，各向异

31、性明显，油淬火- 回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体，几乎是各向同性的。同时油淬火 - 回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度 175）也高于冷拉钢丝4.0mm 钢丝进行弯曲实验，试样沿 R=10mm 圆弧向不同方向弯曲 90o， 弯曲处不得有裂纹或折断。A1A3组钢丝一般选用 4570钢， A3A6组选用 65Mn或 70 钢， A7A9组钢丝选用 70 或 T8MnA82B）生产。因为按该标准供货的钢丝基本用于制作静态弹簧，对疲劳寿命的要求相对宽松， 钢丝可以采用控轧控冷盘条直接拉拔成品。钢丝成前热处理也可以用正火代替铅浴处理。同时允许选 用转炉镇静钢作为原料。GB/T4357-89

32、碳素弹簧钢丝/ 36该标准是冷拉碳素弹簧钢丝的通用标准，主要用于制作在各种应力状态下工作的静态弹簧。根据弹簧工作应力状态钢丝可分三个级别供货： B 级用于低应力弹簧， C级用于中等应力弹簧， D级用于高应力弹簧。成品钢丝考核抗拉强度、扭转、缠绕和弯曲四项性能，详见表9。B级和 C级钢丝一般选用 7067A、72A）或 65Mn67B）， D级选用 T9XEA和 T8MnA4.0mm 的 D级钢丝在 2倍钢丝直径的芯棒上缠绕 2 圈，缠绕后的试样表面不得产生裂纹 和断裂。 6.00mm 的钢丝应进行弯曲检验，试样沿 R=10mm 圆弧向不同方向弯曲 900，弯曲后不得 产生裂纹和断裂。该标准钢丝

33、主要用于制作静态机械弹簧，其服役期振动频次要高于非机械弹簧，对疲劳寿命有一 定的要求，成品也增加扭转性能的考核。因此对钢丝用盘条应采用电炉或电炉+炉外精炼法冶炼，盘条中 P 0.030%、S0.020%等。成品钢丝显微组织中如含有游离铁素体，会降低弹簧疲劳寿命，而控 轧控冷盘条中一般均存有 515%的游离铁素体，不宜直接生产成品钢丝。按此标准供应的钢丝原则上 成前应经铅浴处理，消除游离铁素体组织，成品钢丝显微组织应为纤维化索氏体组织。成品钢丝绕制 弹簧后应进行消处应力热处理，推荐热处理工艺如表10。表 10 B 、 C和 D 组碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺弹簧用途热处理温度 /时 间 /mi

34、n 1.25mm 1.25 3.0mm3.0 9.5mm9.5mm一般载荷215 2301520202525303045重载荷230 2602030304040 505060高温下使用275 2903045456060806090说明： B、 C和 D组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过 160。GB/T4358-1995 重要用途碳素弹簧钢丝按该标准供货的钢丝，主要用于制作在各种应力状态下工作的动态弹簧。根据弹簧工作应力状 态，钢丝分三个组别供货： E组适用于中等应力动态弹簧， F 组适用于高应力动态弹簧， G组适用于高 疲劳寿命的动态弹簧。成品钢丝考核抗拉强度，扭转，缠绕，弯曲和脱碳五项性能指标

35、，详见表11。因为按该标准供货的钢丝用于制作中、高应力状态下工作的动态弹簧，成品钢丝除保持高的弹性 极限和良好的韧性指标外，还必须考虑到疲劳极限和弹簧的疲劳寿命。为此，对钢的纯净度，非金属 夹杂含量和气体含量，铁素体含量及表面脱碳程度有更高的要求。钢丝用盘条必须采用电炉+炉外精炼 法冶 炼 ，对盘 条的化 学成分有 更高的 要 求： P 0.025% 、 S 0.020% ， Cr 0.10% 、 Ni 0.15%0.12%）、 Cu 0.20%。实际生产中为提高疲劳寿命往往将Mn 控制在高限， E 组选用 70 或70Mn72B）， F 组选用 T8MnA或 T9XEA， G组选用 65Mn

36、Mn可调整到 0.9-1.2% ）或 67B。降低钢中 P、 S 含量，提高 Mn含量和采用炉外精炼的目的是：消减钢中非金属夹杂含量，改善夹杂物形态和降低气 体含量，提高疲劳极限和疲劳寿命。出于同样目的，标准规定钢中Cr、Ni 、Cu 含量不得大于规定值，因为 Cr、Ni 和 Cu 均能延缓钢的索氏体转变，阻碍钢丝铅浴处理时形成单一的索氏体组织。如果 钢丝显微组织中含有游离铁素体，会较大幅度地降低疲劳寿命，按该标准供货的钢丝，成前必须进行 铅浴处理。G 组钢丝用于制作在剧烈振动状态下工作的阀门弹簧，对疲劳寿命要求极高，所以选用韧性更好/ 36的 65Mn 盘条，抗拉强度虽有所下降，但疲劳寿命更

37、有保证。钢丝表面脱碳，形成铁素体组织严重影 响疲劳性能，标准对 G 组钢丝增加脱碳层检验，规定总脱碳层深度不得大于1.0%d，但对较大规格钢丝4.0mm）受减面率限制，由热轧盘条带来的脱碳层很难彻底消除，标准补充规定：“征得需方 同意，可供应脱碳层不超直径 1.5%d 的钢丝”。成品钢丝绕制弹簧后应进行消处应力热处理，推荐热 处理工艺如表 12。表 11 GB/T4358-1995 重要用途碳素弹簧钢丝钢丝直径 mmE 组F 组G 组抗拉强度 MPa扭转次数 不小于抗拉强度 MPa扭转次数 不小于抗拉强度 MPa扭转次数 不小于0.25222026002526002950180.2822202

38、6002526002950180.30221026002526002950180.32221025902525902940180.35221025902525902940180.40220025802525802930180.45219025702525702920180.50218025602525602910180.55217025502525502900180.60216025402525402890180.63214025202525202870180.70212025002525002850180.80211024902524902840180.9020602390252390269

39、0181.02020235025235026501818502110201.21920227025227025701818202080201.41870220025220025001817802040201.61830214025216024801817502018201.81800213025206023601817001960202.01760209025197022301816701910202.21720200020187021301316201860182.51680196020177020301316201860182.8163019102017201980131570181018

40、3.01610189020169019501315701810183.21560184016167019301015701810153.51520175016162018401014701710154.01480171016157017901014701710154.5141016401215001720614701710105.0138016101214801700614201660105.51330156081440166041400164066.0132015508142016604135015906说明： 1.0mm钢丝进行弯曲实验，试样沿 R 圆弧向不同方向弯曲 900，弯曲处不得有

41、裂纹或折断， 4.0mm， R=5mm； 4.0mm，R=10mm/ 36G 组钢丝脱碳层 1.0d%表 12 E 、F 和 G组碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺弹簧用途热处理温度 /时 间 /min 0.35mm 0.35 1.25mm1.253.0mm 3.0mm一般载荷2002151015152020252530重载荷23026015202030304040 50高温下使用2752902038304545 606080说明： E、 F和 G组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过 120。GJB1497-92 特殊用途碳素弹簧钢丝规范在某些特定场合，需要弹簧具有超出常规要求的弹力，如枪械弹簧，为便于

42、携带和使用，弹簧所 占的空间很小，弹力要足够大，必须选用抗拉强度特高，韧性较好的钢丝来制作弹簧 , 特殊用途碳 素弹簧钢丝就适应这种需要的标准。该标准规定钢丝分甲、乙、丙三组供货。丙组适应于较高应力弹簧，乙组适应于高应力弹簧， 甲组适用于超高应力弹簧。标准推荐钢丝采用T9A，T10A 和 T8MnA制造。实际上钢丝抗拉强度随碳含量增高而上升，扭转性能 韧性指标）随碳含量上升而下降，综合考虑，我公司选用加稀土的T9A 钢丝生产甲、乙、丙组钢丝，目前“三大牌”甲、乙、丙组钢丝是特色产品。成品钢丝考核抗拉强度、扭转、扭转断口、缠绕、抗拉强度均匀性和尺寸均匀性六项性能指标，详见表13。为确保产品质量稳

43、定，可靠，公司多年来摸索一套工艺程序，在钢丝生产过程中质量控制要点 为：严格控制铅浴处理质量。采用小道次减面率，多道次拉拔，合理的表面处理，使用高质量拉丝润滑剂。特别要注意生产过程中的模具和拉丝卷筒的冷却，防止产生时效脆性。 应该指出钢丝的超高抗拉强度是以牺牲部分塑性和疲劳寿命换来的，只适用于制作形状简单， 对疲劳寿命要求不很高的弹簧，该标准不宜推广使用。表 13 GJB1497-92 特殊用途碳素弹簧钢丝规范直径 mm抗拉强度MPa扭转次数 不小于，次甲组乙组丙组甲组乙组丙组0.202840314027002950255028006363630.22284031402700295025502

44、8005050500.252840314027002950255028004050500.282840314027002950255028003450500.302840314027002950255028003450500.322840314027002950255028003440500.352840314027002950255028003440500.402840314027002950255028003440500.452840314027002950255028003440500.502840314027002950255028003440500.55284031402700295

45、025502800343844/ 360.602790309026502850250027003438440.652790309026502850250027003438440.702790309026502850250027003438440.752790309026502850250027003438440.802790309026502850250027003438440.902740304026002800245026503438441.002740304026002800245026501519221.102640294026002800245026501519221.2025402

46、84025002700235025501519221.30250027002350255019221.40240026002250245019221.5024002600225024501922说明：每盘钢丝两端抗拉强度差不得大于100Mpa 。钢丝扭转时，在规定扭转次数以内不得有肉眼可见的裂纹和分层。钢丝进行缠绕实验，钢丝绕芯棒缠绕 15 圈后不得折断和破裂。芯棒直径等于钢丝直径。GJB5260-2003 航空用碳素弹簧钢丝规范 该标准是航空航天工业专用标准，成品钢丝考核抗拉强度、扭转次数、扭转均匀度、扭转断口、 缠绕和脱碳等性能。根据需方要求，可检验钢丝的非金属夹杂物，一般应控制在A2、B

47、1.5 、 C1、 D1的水平。考核指标详见表 14。表 14 GJB 5260-2003 航空用碳素弹簧钢丝规范直径 mm组组直径mm组组抗拉强度N/mm 2扭转次数 不小于抗拉强度N/mm2扭转次数 不小于抗拉强度N/mm2扭转次数 不小于抗拉强度N/mm 2扭转次数 不小于0.202650 3090302210 2650321.402250 26451618652255240.222650 3090292210 2650321.602155 24951618152155240.252650 3090272210 2650321.802060 23551517652060240.28265

48、0 3090262210 2650312.002060 23551417652060230.302645 3085232205 2645312.201870 21651316651960220.352595 3035222155 2595302.501765 20551216201910210.402595 3035202155 2595282.801720 20181116201910190.452595 3035172155 2595283.001715 20051016201910180.502595 3035162155 2595273.201670 1960915201810180.

49、602595 3035162155 2595253.501670 1915815201765180.702550 2990162110 2550254.001620 1865614701715180.802550 2990162110 2550244.501520 1765613701615160.902500 2940162060 2500245.001520 1765413701615131.002450 2890162018 2450245.501470 171541320156581.202350 2790161910 2350246.001470 17152132015656说明：扭

50、转试样变形应均匀，表面不允许有裂纹和分层，断口应垂直于轴线，。直径 4.0mm 钢丝，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕8 圈；直径 4.06.0mm 的钢丝，在直径为 2d 的芯棒上缠绕 8 圈；缠绕后的试样表面不得有裂纹和断裂。钢丝脱碳层深度不得大于 1.0%d。航空用碳素弹簧钢丝标准与现行 GB/T4357 和 GB/T4358 标准相比，更注重各规格钢丝的强韧性结/ 36D 级和 F 组钢合，在保证韧性的基础上，使钢丝抗拉强度处于尽可能高的水平上。组钢丝相当于丝，钢丝直径 1.4mm 时，其抗拉强度和扭转次数要远高于D 级和 F 组钢丝；钢丝直径在 1.6 4.0mm范围内，其抗拉强度与 D

51、 级和 F 组相当，但扭转次数高于 D 级和 F 组钢丝；钢丝直径在 4.0mm 时， 其抗拉强度与 F 组相当，但低于 D级钢丝。组钢丝相当于 C 级和 E组钢丝，但其韧性 扭转次数） 指标高于 C 级和 E组钢丝，三者抗拉强度差别与组钢丝相似，但差距较小。航空用碳素弹簧钢丝基本用于制作高应力静态弹簧，因为用于航空航天工业，对强韧性要求比较 高，对生产钢丝用钢和热轧盘条的要求基本与 GB/T4358 相同：钢的纯净度要高，非金属夹杂含量和 气体含量要低，钢必须采用电炉 +炉外精炼法冶炼。对盘条的化学成分有更高的要求：P0.025%、 S0.020%，Cr 0.10%、Ni0.15%0.12%

52、）、 Cu 0.20%，盘条脱碳层深度不应大于1%d。为提高钢丝强韧性，推荐经两次铅浴处理再出成品，成品钢丝中不应有铁素体组织。铅浴处理时宜采用高炉 温、高铅温的生产工艺。成品拉拔时可适当增加拉拔道次，组钢丝平均道次减面率不宜超过16%，组钢丝平均道次减面率不宜超过17%。GB/T18983-2003 油淬火 - 回火弹簧钢丝油淬火 -回火碳素弹簧钢丝原有 YB/T5103-93 油淬火 -回火碳素弹簧钢丝和 YB/T5102-93 阀 门用油淬火回火碳素弹簧钢丝两个行业标准，分到用于制作静态簧和动态簧， 2003 年将这两个标准 並入 GB/T18983-2003 油淬火 - 回火弹簧钢丝中

53、。油淬火 - 回火钢丝先将钢丝生产到成品尺寸，然后再进行油淬火回火处理，以回火马氏体组织交 货。组织均匀性是决定油淬火回火钢丝性能的重要指标。因为碳素弹簧钢丝淬透性有限，规格太大的 钢丝油淬火回火后芯部不能完全转变为马氏体，小规格钢丝的抗拉强度低于冷拉钢丝，所以油淬火回 火碳素弹簧钢丝实际使用范围为 4.0 12.0mm。油淬火 - 回火碳素弹簧钢丝按供货抗拉强度分类属于低强度钢丝，按工作状态分为静态 FDC 级）、中疲劳 TDC级）和高疲劳 1.6 2.01720189016500 2.51670182016305 2.7164017901

54、6107 3.01620177015900 3.21690175015702 3.51580173015505 4.0155017001530 16804045454.0 4.2154016901510 16604045454.2 4.5152016701510 16604045454.5 4.7151016601490 16404045454.7 5.0150016501490 16404045455.0 5.6147016201470 16203540405.6 6.0146016101

55、450 16003540406.0 6.51440159014205 7.0143015801400 1550354040/ 367.0 8.01400155013700 9.0138015301350 1500303535 9.0 10.0136015101340 1490303535 10.0 12.01320147030说明：直径 1.0mm 钢丝检验断面收缩率。同一盘或同一轴钢丝抗拉强度允许波动范围为：VD 级钢丝不应超过 50MPa；TD 级钢丝不应超过 60MPa；FD 级钢丝不应超过 70MPa；直径 3.0mm 钢丝应进行缠绕

56、实验，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕 4 圈，缠绕后的试样表面不 得有裂纹和断裂。直径 6.0mm 钢丝应进行弯曲实验，钢丝沿直径等于2d 的圆弧弯曲 90，表面不得有裂纹。直径 0.70 6.0mm钢丝应进行单向扭转实验，扭转次数应大于3 次，扭转断口应平齐。TDC和 VDC 级钢丝可进行双向扭转实验，实验结果应符合表16要求。表 16 双向扭转实验要求直径TDCVDC直径TDCVDCmm右转圈数左转圈数mm右转圈数左转圈数 1.62.514 3.54.58 2.53.0612 4.55.666 3.03.510 5.66.04与冷拉碳素弹簧钢丝相比，直径 2.0mm 的油淬火回火钢丝抗拉强度

57、和弹性极限低于冷拉钢丝。 但大规格钢丝 6.0mm）索氏体处理后，不可能采用大减面率拉拔获得高的抗拉强度，而油淬火回 火钢丝只要完全淬透，就可以获得比冷拉钢丝更高的抗拉强度。即使在抗拉强度相同条件下，油淬火 回火钢丝的弹性极限也高于冷拉钢丝。冷拉弹簧钢丝的各向异性明显，而油淬火回火钢丝几乎各相同性。油淬火回火钢丝的疲劳寿及抗 应力松弛性能比冷拉钢丝好得多，工作温度更高150 175），抗蠕变性能更好。另外油淬火回火钢丝直条度好，打开盘卷后钢丝弹直，几乎无弯曲，缠绕弹簧时成形性能更好。因此工业发达国家大 规格油淬火回火碳素弹簧钢丝几乎取代了冷拉碳素弹簧钢丝。FDC级油淬火回火碳素钢丝用于制作静态

58、弹簧，通常选用60、65、70、62A、67A和 72A制造，对热轧盘条的要求与 GB/T4357-1989 相同。TDC 级油淬火回火碳素钢丝对组织均匀性要比较严格，应按 GB/T4358-1995 要求选择热轧盘条， 选用牌号有 65Mn、70、67B 和 72B 等。VDC级油淬火回火碳素钢丝一般使用 65Mn和 67B 生产，质量控制要求基本与 GB/T4358-1995 的 G 组相当。油淬火 - 回火碳素弹簧钢丝的热处理规范：淬火温度800850，淬火介质为油，回火温度315375。与冷拉碳素弹簧钢丝一样，油淬火 - 回火碳素弹簧钢丝可以直接绕制弹簧，但成簧后必须进行 消除应力热处

59、理，消除应力热处理工艺如表17。表 17 油淬火 - 回火碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺弹簧用途热处理温度 /时间/min 1.25mm1.253.0mm3.09.5mm 9.5mm一般载荷215 2401520202525303045/ 36重载荷260 2902030304040 5050 60高温下使用315 345304545 60608060 90说明：油淬火 - 回火碳素弹簧钢丝使用温度不得超过 175。4.2 合金弹簧钢丝冷拉碳素弹簧钢丝具有很高的弹性极限，良好的抗疲劳性能，制成弹簧后经低温消除应力处理后 就可以使用，是制作普通弹簧的理想材料。但随着钢丝直径增大，冷拉形变强化弹簧

60、钢丝的综合弹性 性能比不上马氏体相变强化弹簧钢丝的性能。马氏体相变强化弹簧钢丝质量控制的关键是保证淬透性，即保证油淬火后钢丝整个截面获得均匀 的马氏体组织。如果弹簧油淬火未淬透，钢丝芯部残留过冷奥氏体组织，弹簧的弹性极限，抗冲击韧 性和疲劳寿命将有不同程度的下降。碳素弹簧钢淬透性较差，为提高钢的淬透性，必须向钢中添加Mn、 Si 、 Cr、W、 V 和 B 等合金元素，形成合金弹簧钢系列。表 18 列出各种弹簧钢丝油淬火临界直径。表 18 各种弹簧钢丝油淬火临界直径钢号淬火临界直径 Si Mn系弹簧钢 硅和锰资源丰富，价格便宜，能很好地溶入铁素体中，是最常用的固溶强化元素。硅能显著提高 钢的弹