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
力学性能(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=，μ称为泊桑比，同一牌号的泊桑比是一定数，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=，扭转螺旋弹簧的刚度P=）。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
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
77200
60Si2MnA
200000
74100
60Si2CrVA
205800
30W4Cr2V
205800
1Cr13Ni2(414)
200000
77200
3Cr13(420)
200000
77200
1Cr17Ni2(431)
206000
77300
1Cr18Ni9(302)
193000
68950
0Cr17Ni7Al
203400
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(%)
材料名称
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
45～55
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）
88～93
65～75
60Si2MnA
78～86
55～65
1Cr13Ni2(414)
65～70
42～55
3Cr13(420)
65～75
45～55
1Cr17Ni2(431)
72～76
50～55
1Cr18Ni9(302)
65～75
45～55
0Cr17Ni7Al
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：