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）。
E，μ称为泊桑比，同一牌号的泊桑拉伸弹性模量与切变弹性模量之间有一固定关系：G =
)
+
1(2μ
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=348nD
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=2τ
e 2
/2G 或U=2R e 2/2E ），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
/10000=A表示弹簧在温度200℃，持续一小时，产生0.002%形变，加的应力来定义蠕变极限。如200
002
.0
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（R o-R n/R o）3100%。
残余应力：一般指105小时后的残余应力R r，R r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H min（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H min，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H min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H i。
H i=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
(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β
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：
βE =)(12t t E E -? βG =
)
(12t t G G -? 式中：βE —弹性模量温度系数，10-63/℃ βG —切变弹性模量温度系数，310-6/℃ t 1、t 2—温度，℃ 。
金属和合金的弹性模量温度系数与线膨胀系数(α)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m E -=βα。一般金属和合金（部分铁磁性合金除外）的m 大约在(40～
42)310-3左右，所以在温度变化范围不太大时，可以按α值近似地估算出βE 的值。因为G=
)
1(2μ+E ，μ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f β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=243r f d
l k 式中：E —弹性模量
r f —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：2
E
f βαβ+=
扭振动时的频率温度系数：2
G
f βαβ+= 式中：α—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，弯曲次数显著提高。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
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(A b )可用公式表示：
b A =
r
d
2 式中：A b —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(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
1
2221)2()2(b b N N d r d r =
++
式中：r 1 、r 2—弯曲半径 Nb 1 、Nb 2—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，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：
N t =d L 3
6
3C
Fe ψ3e
ψ/2
3（ψ-ψFe 3
C ）2
式中：N t ——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=23ln
1
d d ）；
ψFe 3
C ——Fe 3C 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
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，扭距与扭转次数並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%R m),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13106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13106次，载荷应力越低，寿命越长。
图2 冷拉碳素弹簧钢丝(ASTM A227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、振动频繁的弹簧。如阀门弹簧，空气锤、压力机、液压控制器弹簧，其载荷较高，常常在低于许用应力10%左右使用，使用寿命大于13106次，通常为107次。
弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。
碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60～0.90%的碳和0.3～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达300310-6/℃)，适用于制造截面较小，工作温度较低的弹簧。
合金弹簧钢一般含0.45~0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。国内外弹簧钢常用牌号对照如表6。
表6 国内外弹簧钢常用牌号对照表
高弹性合金3J1（0Cr12Ni36Ti3Al）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。
恒弹性合金3J53（00Cr6Ni42Ti2.5Al）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（＜0.4310-6/℃），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3J21（1Cr20Ni16Mo7Co40）和3J22（1Cr19Mn2Ni16Co40M03.5W4.5）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，极低的弹性后效（0.02%）。经冷加工其抗拉强度R m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400～500℃。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
4.1 碳素弹簧钢丝
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（υ≤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（υ≥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（120℃～160℃）。近年来中大规格油淬火-回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。下面按标准介绍各类碳素弹簧钢丝的应用范围及工艺控制要点。
4.1.1 YB/T5220-93 《非机械弹簧用碳素弹簧钢丝》
该标准适用于沙发垫簧，座垫、靠背拉簧，卡簧，夹簧等非机械弹簧用碳素弹簧钢丝。标准按抗拉强度要求不同将钢丝分成A1，A2，A3…A9九个组别，每个组别钢丝不分规格大小按一个强度范围供货，抗拉强度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3组用于制造较低应力弹簧。A3，A4和A5用于制造一般应力弹簧。A7，A8和A9用于制造较高应力弹簧。床垫簧一般选用A3和A4组别。
从使用状态分析，该标准钢丝基本属于静态簧，成品钢丝仅考核抗拉强度、缠绕和单次弯曲三项性能，详见表8。
表8 YB/T5220-93 非机械弹簧用碳素弹簧钢丝
说明：①Φ≤4.0mm钢丝在2d芯棒上缠绕两圈无裂纹或折断。
②Φ＞4.0mm钢丝进行弯曲试验，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。
A1—A3组钢丝一般选用45～70钢，A3～A6组选用65Mn或70钢，A7～A9组钢丝选用70或T8MnA （82B）生产。由于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。
4.1.2 GB/T4357-89 《碳素弹簧钢丝》
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70（67A、72A）或65Mn（67B），D级选用T9XEA和T8MnA（82B）生产。
表9 GB/T4357-89 碳素弹簧钢丝
说明: ①Φ≤4.0mm的D级钢丝和Φ≤6.0mm的B级、C级钢丝在等于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。
②Φ＞4.0mm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。
③Φ＞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%、S≤0.020%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5～15%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
说明：B、C和D组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过160℃。
4.1.3 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，详见表11。
由于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70Mn（72B），F组选用T8MnA或T9XEA，G组选用65Mn（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，所以选用韧性更好的65Mn盘条，抗拉强度虽有所下降，但疲劳寿命更有保证。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（Φ＞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
说明：①Φ＜4.0mm的钢丝在等于钢丝直径的芯棒上、Φ≥4.0mm钢丝在2倍钢丝直径的芯棒上缠绕5圈，缠绕后的试样表面不得有裂纹或折断。
②Φ＞1.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿R圆弧向不同方向弯曲900，弯曲处不得有裂纹或折断，
Φ≤4.0mm，R=5mm；Φ＞4.0mm，R=10mm。
③G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
说明：E、F和G组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过120℃。
4.1.4 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：
①严格控制铅浴处理质量。
②采用小道次减面率，多道次拉拔，
③合理的表面处理，使用高质量拉丝润滑剂。
④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
说明：①每盘钢丝两端抗拉强度差不得大于100Mpa。
②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。
③钢丝进行缠绕试验，钢丝绕芯棒缠绕1~5圈后不得折断和破裂。芯棒直径等于钢丝直径。
4.1.5 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、B1.5、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
说明：①扭转试样变形应均匀，表面不允许有裂纹和分层，断口应垂直于轴线，。
②直径＜4.0mm钢丝，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕8圈；直径≥4.0～6.0mm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。
③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。Ⅰ组钢丝相当于D级和F组钢丝，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。Ⅱ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Ⅰ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：P≤0.025%、S≤0.020%，Cr ≤0.10%、Ni≤0.15%（0.12%）、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，Ⅰ组钢丝平均道次减面率不宜超过16%，Ⅱ组钢丝平均道次减面率不宜超过17%。
4.1.6 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。
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（VDC级）三类，三类钢丝的力学性能如表15。
表15 油淬火-回火碳素弹簧钢丝的力学性能
说明：①直径＞1.0mm钢丝检验断面收缩率。
②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；
③直径＜3.0mm钢丝应进行缠绕试验，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。
④直径＞6.0mm钢丝应进行弯曲试验，钢丝沿直径等于2d的圆弧弯曲90°，表面不得有裂纹。
⑤直径0.70～6.0mm钢丝应进行单向扭转试验，扭转次数应大于3次，扭转断口应平齐。
⑥TDC和VDC级钢丝可进行双向扭转试验，试验结果应符合表16要求。
表16 双向扭转试验要求
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和弹性极限低于冷拉钢丝。但大规格钢丝（Φ≥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800～850℃，淬火介质为油，回火温度315～375℃。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
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
4.2.1 合金弹簧钢丝分类和特性
合金弹簧钢是在碳素钢的基础上添加一种或几种合金元素，来提高钢的力学性能、淬透性和其它性能，满足制造各种弹簧的要求。合金弹簧钢系列包括Si-Mn、Cr-Mn、Si-Cr、Cr-V和W-Cr-V钢，我国目前应用最广泛的是Si—Mn系列钢，其次是Cr—V系列钢。
(1) 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性极限，使马氏体的亚结构比较稳定，但会增加钢的脱碳敏感性，易产生石墨碳析出。锰能提高钢的强度和淬透性，改善钢的组织均匀性和热加工能力力，但增加钢的过热敏感性和回火脆性，淬火时容易产生裂纹。硅和锰同时加入钢中可以发挥两种合金元素的优点，抑制彼此的缺点。Si—Mn系列的典型牌号是60Si2MnA。60Si2MnA的淬透性远高于碳素弹簧钢，淬火时不易产生裂纹，回火稳定性较好，不易产生回火脆性，淬回火后的钢丝具有较好的综合力学性能(_较高的弹性极限、屈强比和疲劳强度、一定的淬透性和较好的抗弹减性)和工艺性能，广泛地应用在汽车、拖拉机、机车车辆等工业部门，60Si2MnA钢丝主要用来制造中等截面的螺旋簧，卡簧和碟形弹簧等。
我国常用的Si—Mn弹簧钢还有55Si2Mn、60Si2Mn和70Si3MnA。 Si—Mn弹簧钢的缺点是：
①冶炼和铸锭工艺不当，极易产生碳和硅的偏析，造成钢中出现带状铁素体，白亮点状偏析，（分析证明白亮处富锰，较暗处富硅），黑芯（中心增碳）和中心疏松等缺陷。
②Si—Mn弹簧钢表面脱碳倾向比较严重，热加工、退火和淬火时容易出现脱碳，降低疲劳寿命。
③由于硅是促进石墨化元素，弹簧淬回火时容易出现石墨碳，降低钢的硬度和韧性。
④加热时晶粒比较容易粗化。
⑤Si—Mn弹簧在高温回火时保温时间太长或回火后冷却缓慢，往往回出现可逆回火脆性。据分析脆性是杂质和低熔点元素P、S、Pb、Sn、As和Sb在奥氏体晶界处偏聚引起的。所以强化冶炼，改进
Q235钢轴向拉伸试验报告 1.研究目的 观察Q235钢在拉伸时的各种现象，并测定Q235钢在拉伸时的屈服极限σs，强度极限σb，伸长率δ和断面收缩率ψ，研究Q235钢拉伸时的力学性能。 2.实验原理 试件装在试验机上，受到缓慢增加的拉力作用，对应每一个拉力F，试件标距l有一个伸长量?l。表示F和?l的关系的曲线，称为F-?l曲线。F-?l曲线与试件的尺寸有关。为了消除试件尺寸的影响，把拉力F除以试件的横截面积A，得出正应力σ；同时，把伸长量?l除以标距的原始长度l,得到应变ε： σ= F ε=?l l 以σ为纵坐标，ε为横坐标做出表示σ与ε的关系曲线，称为σ-ε曲线(应力-应变曲线)，通过应力-应变曲线得到Q235钢在轴向拉伸下的力学性能。 3.实验方法 为了便于比较不同材料的实验结果，对试件的形状、加工精度、加载速度、实验环境等，国家标准都有统一规定。按国家标准 GB228
—2010中的有关规定,本实验中的拉伸试件采用国家标准中规定的圆截面长试件即： l0 =10 d0 (长试件) 式中: l0--试件的初始计算长度(即试件的标距); d0 --试件在标距内的初始直径。 实验前用游标卡尺和圆规测量试件的直径d0和标距l0，所用游标卡尺的量程为200mm精度为±0.02mm。经多次测量求平均值，试件的直径d0和标距l0尺寸如表1，使用万能试验机上的传感器测量试件受力大小，用引伸计测定试件的变形量。 实验采用YYU-15/50轴向变形引伸计, 引伸计的标距为50mm，变形为15mm，相对误差优于一级，用于常规拉伸试验机。引伸计测量精度一级：标距相对误差±1.0%，示值误差（相对）±1.0%，（绝对）±3.0微米。引伸计由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器直接和被测构件接触。构件上被测的两点之间的距离a1b1为标距，构件被拉伸或压缩后被测的两点之间的距离a2b2，标距的变化a2b2与a1b1之差即为线变形。把引伸计用橡皮筋固定在试件上，随着构件变形，引伸计的传感器会随着变形，记录器（或读数器）将自动记录变形信息。
弹簧中的动力学问题
弹簧中的动力学问题 知识分析 两个物体之间用轻质弹簧连在一起，连接的弹簧或为原长，或已压缩而被锁定。这样包括弹簧的系统与第三个物体相互作用（碰撞、子弹射入等）。这是这类问题的典型物理情境。首先应注意上述两种情况的区别：已完全压缩的弹簧没有缓冲作用，应将系统当作一个整体来处理；没压缩的弹簧有缓冲作用，只有碰撞的两个物体组成系统，与弹簧相连的另一端的物体没有参与。 此类问题还应注意：把相互作用的总过程划分为多个依次进行的子过程，分析确定哪些子过程机械能是守恒的，哪些子过程机械能不守恒。还有一个常见的物理条件：当弹簧最长或最短（或弹簧中弹性势能最大）时，弹簧两端的物体速度相等。 典型例题 【例1】一物体从某一高度自由落下，落在直立于地面的轻弹簧上，如右 图所示。在A点，物体开始与弹簧接触到B点时，物体速度为 零，然后被弹回。下列说法中正确的是（） A．物体从A下降到B的过程中，动能不断变小 B．物体从B上升到A的过程中，动能不断变大 C．物体从A下降到B，以及从B上升到A的过程中，速率都是 先增大，后减小 D．物体在B点时，所受合力为零 【例2】如图所示，坡道顶端距水平面高度为h，质量为m1的小物块A从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M 处的墙上，另一端与质量为m2档板B相连，弹簧处于原长时，B恰位于滑道的末端O点。 A与B碰撞时间极短，碰后结合在一起共同压缩弹簧，已知在OM段A、B与水平面间的动摩擦因数均为μ，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g，求： （1）物块A在与挡板B碰撞前瞬间速度v的大小； （2）弹簧最大压缩量为d时的弹性势能Ep（设弹簧处于原长时弹性势能为零）。
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
碟形弹簧疲劳失效 碟形弹簧单位体积的变形能较大，用于吸收冲击和消散能量，在受到载荷长期冲击作用时，产生径向贯穿裂纹；碟簧工作时位于碟簧凹面内环面和端面交界处，承载最大拉应力，以下是碟簧失效分析： 1.由于材料成分不合理，成分偏析导致碟簧性能不均匀，例如，60Si2Mn作为碟簧材料时，含Si量偏低，降低碟簧屈服强度，导致零件提前发生脆变，甚至开裂；含P量偏高，则加剧钢的脆性倾向和成分偏析；而杂物的存在则分割了基体的连续性，成为裂纹敏感的区域，特别当分布于零件表面时，容易造成压力集中，为应力腐蚀开裂优先选择了通道。 2.加工产生裂纹。碟形弹簧由热锻加工成型，淬火+高温回火调质处理，喷丸强化处理表面，整个加工过程中会出现碟簧内部微裂纹，造成应力集中，在使用过程中若负载过大会加速碟簧疲劳失效甚至开裂。 3.应力腐蚀。碟簧工作时承受拉应力，当碟簧卸除载荷，其内部依然保持着残余拉应力，若碟簧长期工作在酸性液体或湿度较大环境，在拉应力作用下，溶液中的氢发生聚集，吸附在表面的空穴、腐蚀坑等缺陷处，使表面能或原子健的结合力降低，局部应力集中加剧，当裂纹的形核功大于裂纹尖端应力强度因子时，从而导致环境脆断微裂纹的形核和扩展，出现微裂纹，导致碟簧过早疲劳失效。 4.热处理不合理。碟簧热处理时，调质处理，由于回火温度与回火后的冷却速度不当或出现偏差（譬如回火后的冷却速度过于缓慢），产生高温回火脆性；热处理表面出现脱碳现象，对碟簧的疲劳寿命产生不良影响，使碟簧的弹性极限和疲劳寿命恶化，有利于促成裂纹的形成。 5.使用环境使碟簧产生进一步的脆化。碟簧长期工作在高温或低温的环境下，其组织缓慢发生变化，出现进一步脆化。 6.长时间使用产生材料脆化。材料长时间使用，碟簧内部组织达到甚至超出其力学性能极限，造成脆化出现，过早产生疲劳失效。 以上每一种原因都会造成碟形弹簧在工作时产生疲劳失效，给生产应用带来损失，因此探究碟形弹簧承受载荷与形变之间的关系就十分具有应用价值，针对目前碟簧的计算公式都适用于中小载荷下的局限，探究碟簧在大载荷下的应力应变关系，得出精度较高的计算式就显得十分必要。
[常用牌号]： 常用合金弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途。 常用的合金弹簧钢有60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等。 60Si2Mn钢是应用最广泛的合金弹簧钢，其生产量约为合金弹簧钢产量的80％。它的强度、淬透性、耐回火性都比碳素弹簧钢高，工作温度达250℃，缺点是脱碳倾向较大，适于制造厚度小于10mm的板簧和截面尺寸小于25mm的螺旋弹簧，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，用于500℃以下工作的 [弹簧成型方法]： 对直径或板簧厚度大于10 mm的大弹簧，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的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。 为保证弹簧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，但淬透性更高，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。锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等。 常采用淬火+中温回火。对热成形弹簧，可采用热成形余热淬火，对热冷成形的弹簧，有时可省去淬火、中温回火工艺，成形后只需进行200～300℃进行去应力退火即可。弹簧钢热处理后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度。 [性能]： 硬度为40～48HRC，有较高的弹性极限和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服点和屈强比（σs/ σb）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有稳定的弹性。 中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。[化学成分]： 合金弹簧钢为中、高碳成分，一般wC=0.5％～0.7％，以满足高弹性、高强度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、Mn、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Mn容易使晶粒长大。加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火性的作用。 55Si2Mn特性：强度大、弹性极限好，屈服比值高，热处理后韧性较好，焊接性差，冷变形塑性低，切削性尚好，淬透性较65、65Mn钢高，临界淬透直径：油中约为25~57mm；水中约为44~88mm；此钢宜油淬、水淬时有形成裂纹倾向，无回火脆性倾向，且具有抗回火稳定和抗松弛稳定性；钢中夹杂物较高，轧制较困难，表面易出疵病，脱碳倾向大；适宜在淬火并中温回火状态下使用。用途：适用于制造铁道车辆、汽车、拖拉机等承受中等载荷的扁形弹簧、直径<25mm的螺旋形弹簧、缓冲弹簧以及汽缸安全阀门等高应力下工作的重要弹簧。 55Si2MnB特性：性能与55Si2Mn钢相近，但淬透性更高，在油中临界淬透直径约为90~180mm，疲劳强度也显著提高。用途：适用于制造中、小型截面的钢板弹簧，如汽车上的前后副钢板弹簧。
标准号标准名称牌号直径规格(mm)剪切模量 G （MPa ） 推荐硬度HRC 推荐使用温度 ℃ 性 能 25～80 B 级：0.08～13.040Mn ～ 70Mn C 级：0.08～13.0 D 级：0.08～6.0 60～80 G1组：0.08～6.0T8MnA ～T9A G2组：0.08～6.060Mn ～70Mn F 组：2.0～5.0 65Mn 70A 类、B 类 2.0～12.0 A 类、 B 类、 C 类 2.0～14.0 60Si2MnA 65Si2MnWA 70SI2MnA GB/T2271GB/T5218GB/T5219GB/T5220GB/T5221GB/T4357 GB/T4358 GB/T4359GB/T4360GB/T4361GB/T4362弹簧常用材料力学性能、标准及特点 （摘自GB/T1239.6-92） 45～5079000-40～250 高温时强度性能稳定，用于较高温度下的高应力弹簧。 铬硅弹簧钢 丝 55CrSiA 0.8～6.0 高温时强度性能稳定，用于较高温度下的弹簧，如内燃机阀门弹簧等。 阀门用铬钒 弹簧钢丝 50CrVA 0.5～12.07900045～50-40～210 高温时强度性能稳定，用于较高温度下的弹簧，如内燃机阀门弹簧等。 铬钒弹簧钢 丝 50CrVA 0.8～12.0 7900045～50-40～210 有较强的疲劳强度，用于较高工作温度的高应力内燃机阀门弹簧或其他类似弹簧。 硅锰弹簧钢 丝 1.0～1 2.0 7900045～50-40～200 强度高，较好的弹性、易脱碳。用于普通机械的较大弹簧。 阀门用油淬 火回火铬钒弹簧钢丝 50CrVA 1.0～10.0油淬火回火 硅锰弹簧钢丝 60Si2MnA 79000-40～200 79000---40～210 2.0～6.0 79000 强度高，弹性好。易脱碳，用于叫高负荷的弹簧。A 类和B 类用于一般用途的弹簧，B 类和C 类用于汽车悬挂弹簧。 阀门用油淬 火回火铬硅弹簧钢丝55CrSi 1.6～8.079000--40～250 有较强的疲劳强度，用于较高工作温度的高应力内燃机阀门弹簧或其他类似弹簧。 --40～130 强度高，性能好。用于内燃机阀门弹簧或类似用途弹簧。 油淬火回火碳素弹簧钢丝55、60、 60Mn 、65、65Mn 、70、 70Mn 、75、8079000--40～150 强度高，性能好。适用于普通机械用弹簧。B 类比A 类强度高。 阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝 --40～150 强度高，性能好。B 级、C 级和D 级分别用于低、中和高应力弹簧。 琴钢丝 79000 --40～130 强度高，韧性好。用于重要的小弹簧，G2组较G1 组强度高，F 组主要用于阀弹簧。 碳素弹簧钢丝79000
弹簧基础知识 一、弹簧的定义、作用、类型： 1．弹簧的定义： 弹簧是一种机械零件，它利用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为变形能（位能），或把变形能（位能）转变为机械功或动能。 2．弹簧的作用： (1)减震（2）控制运动（3）测量器材的衡定（4）储存能量 3．弹簧的基本特性 （1）刚度：载荷与变形的关系（单位变形量所产生的载荷）。单位是：N/mm 柔度：单位载荷下产生的变形量。它与刚度成反比 （2）弹簧的变形能（变形所储存的能量，储存——转换——释放） （3）自振频率 (4)弹簧受迫振动的振幅。 4.弹簧的类型 4．1 圆柱螺旋弹簧 圆截面材料圆柱螺旋压缩弹簧 矩形截面材料圆柱螺旋压缩弹簧 扁截面材料圆柱螺旋压缩弹簧 不等节距圆柱螺旋弹簧 多股螺旋弹簧 圆柱螺旋拉伸弹簧 圆柱螺旋扭转弹簧 4．2 非圆柱螺旋弹簧 截锥螺旋弹簧 中凹形螺旋弹簧 中凸形螺旋弹簧 组合螺旋弹簧 非圆形螺旋弹簧 4．3 其它类型弹簧 线成型片弹簧…….. 二、常用的名词诠释。 1．工作负荷：弹簧工作过程中承受的力和扭距。 2．弹簧刚度：单位变形量所产生的负荷。 3．弹簧柔度：单位工作负荷下所产生的变形量。 4．初拉力：密圈螺旋拉伸弹簧在冷卷时形成的内应力，其值为弹簧开始产生拉伸变形时所需的作用力。 5．自由高度（长度）：弹簧无负荷时的高度（长度）。 6．压并高度：压缩弹簧压至各圈接触时的理论高度。 7．总圈数：沿螺旋轴线两端间的螺旋圈数。 8．有效圈数：（工作圈数）计算弹簧刚度时的圈数。 9．支承圈数：弹簧端部用于支承或固定的圈数。
10．弹簧中径：弹簧内径和外径的平均值。 11．节距：螺旋弹簧两相邻有效圈截面中心线的轴向距离。 12．间距：（坑距）螺旋弹簧两相邻有效圈轴向间距。 13．旋绕比：弹簧中径与线径的比值。 14．高径比：螺旋压缩弹簧自由高度与中径的比值。 15．立定处理：将热处理后的压缩弹簧压缩到工作极限负荷下的高度或压并高度（拉伸到弹簧工作极限下的长度，扭转到工作极限扭转角）一次或多次短暂压缩（拉伸或扭转）以达到稳 定弹簧几何尺寸的主要目的的一种工艺方法。（定型） 16．强压（拉、扭）：将弹簧压缩（拉、扭）至弹簧材料表层产生有益的工作应力反向残余力，以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法。（存储能量） 17．疲劳试验：考核弹簧疲劳性能的试验。 三、形位公差：（形状与位置的公差称形位公差） 弹簧常用的符号和单位 A——弹簧材料截面面积（mm2）弯曲刚度（N/mm）；系数 a——矩形截面材料垂直于弹簧轴线的边长（mm）；系数 B——平板的弯曲刚度（N/mm）；系数 b——高径比；矩形截面材料平行于弹簧轴线的边长；系数 C——螺旋弹簧旋绕比；碟簧直径比；系数 D——弹簧的中径（mm） D1——弹簧内径（mm） D2——弹簧外径）（mm） d ——弹簧材料的直径（mm） E——弹性模量（Mpa） F——弹簧的载荷（N） F'——弹簧的刚度（N/mm） Fj——弹簧的工作极限载荷（N） Fo——圆柱拉伸弹簧的初拉力（N） Fr——弹簧的径向载荷（N） F`r——弹簧的径向刚度（N/mm） Fs——弹簧的试验载荷（N） f——弹簧的变形量（mm） fj——工作极限载荷Fj下的变量（mm）
高三物理专题训练--------弹簧模型（动力学问题） 弹簧是高中物理中的一种常见的物理模型，几乎每年高考对这种模型有所涉及和作为压轴题加以考查。它涉及的物理问题较广，有：平衡类问题、运动的合成与分解、圆周运动、简谐运动、做功、冲量、动量和能量、带电粒子在复合场中的运动以及临界和突变等问题。为了将本问题有进一步了解和深入，现归纳整理如下 弹簧类题的受力分析和运动分析 （一）弹力的特点 1．弹力的瞬时性：弹簧可伸长可压缩，两端同时受力，大小相等，方向相反，弹力随形变量变化而变化。 2．弹力的连续性：约束弹簧的弹力不能突变（自由弹簧可突变） 3．弹力的对称性：弹簧的弹力以原长位置为对称，即相等的弹力对应两个状态。 （二）在弹力作用下物体的受力分析和运动分析 ①考虑压缩和伸长两种可能性 1．在弹力作用下物体处于平衡态—— ②作示意图 ③受力平衡列方程 2．在弹力作用下物体处于变速运动状态 形变 F m F a i ∑=，a 变化 v 变化 位置变化 （a = 0时v max ） （v=0时形变量最大） （1）变量分析：（a ）过程——抓住振动的对称性 （b ）瞬时 （2）运动计算： (a)匀变速运动 (b)一般运动 ①通过分析弹簧的形变而确定弹力大小、方向的改变，从而研究联系物的运动 ②弹簧处于原长状态不一定是平衡态 ③当作匀变速直线运动时，必有变化的外力作用，变化的外力常存在极值问题 ④充分利用振动特征（振幅、平衡位置、对称性、周期性、F 回与弹力的区别） ⑤临界态——脱离与不脱离：必共速、共加速且N=0 ⑥善用系统牛顿第二定律 针对性练习： 1、如图所示，竖直放置在水平面上的轻质弹簧上端叠放着两个
55Si2Mn--特性:强度大、弹性极限好,屈服比值高,热处理后韧性较好,焊接性差,冷变形塑性低,切削性尚好,淬透性较65、65Mn钢高,临界淬透直径:油中约为25~57mm;水中约为44~88mm;此钢宜油淬、水淬时有形成裂纹倾向,无回火脆性倾向,且具有抗回火稳定和抗松弛稳定性;钢中夹杂物较高,轧制较困难,表面易出疵病,脱碳倾向大;适宜在淬火并中温回火状态下使用。用途:适用于制造铁道车辆、汽车、拖拉机等承受中等载荷的扁形弹簧、直径<25mm的螺旋形弹簧、缓冲弹簧以及汽缸安全阀门等高应力下工作的重要弹簧。 55Si2MnB--特性:性能与55Si2Mn钢相近,但淬透性更高,在油中临界淬透直径约为90~180mm,疲劳强度也显著提高。用途:适用于制造中、小型截面的钢板弹簧,如汽车上的前后副钢板弹簧。 55SiMnVB--特性:强度、韧及塑性及淬透性均比60Si2MnA钢高,油中临界淬透直径约为50~107mm;热加工性能良好,热处理时表面脱碳倾向小,回火稳定性好。用途:适用于制造中型截面尺寸的板弹簧和螺旋形弹簧,可代替60SiMnA钢使用。 60SiMn、60Si2MnA--与55Si2Mn钢相比,强度和弹性极限均稍高(其中60Si2MnA钢更好),淬透直性也较好,在油中临界淬透直约为37~73mm,其他性能相同;主要使用状态为淬火并中温回火下使用。用途:此钢应用广泛,适用于制造铁道车辆、汽车、拖拉机等工业上制造承受较大载荷的扁弹簧或直径≤30mm的螺旋形弹簧,如汽车、火车车箱下部承受应力和振动用板弹簧、安全阀和止回阀上弹簧以及工作温度<250℃非腐蚀性介质中的耐热弹簧;用于承受交变载荷和高应力下工作的大型重要卷制弹簧和承受剧烈磨损的机械零件。 60Si2CrA--特性:与60Si2MnA钢相比,塑性相近,但抗拉强度和屈服点均较高;热处理过热敏感性和脱碳倾向小,淬透性高,油中临界淬透直径约为37~114mm,但有回火脆性倾向;一般在淬火并中温回火下使用。用途:适用于制造承受高应力及工作温度<300C条件下工作的弹簧,如调速器弹簧、汽轮机气封弹簧、高压力水泵碟形弹簧及冷凝器支承簧等。 60Si2CRV A--特性和用途与60Si2CrA钢相近,但弹性极限和高温力学性能更好。用途:适用于制造工作温度在低于300~350℃条件下使用的耐热弹簧及承受冲击性应力和高载荷的重要弹簧。 55CeMnA、60CrMnA--特性:具有较高的强度、塑性,焊接性差、可切削性尚可,淬透性比硅锰或硅铬弹簧钢好,油中临界高,脱碳倾向比硅锰钢低,回火脆性倾向较大,故应选择合适的回火温度和冷却速度;一般在淬火并中温回火状态下使用。用途:适用于制造汽车、拖拉机等工业上制造较大载荷和应力条件下工作的板弹簧和直径较大(可达50mm)的螺旋形弹簧。 60CrMnMoA--特性:经热处理后具有和60CrMnA钢相同的综合力学性能,此外,不宜具有更好的淬透性,在油中临界淬透直径约为100mm,且无回火脆性倾向。用途:适用于制造车辆、拖拉机等工业上用于受重载应力较大和直径较大(可达100mm)的螺旋形弹簧。 50CrV A--特性:有较高韧性、强度和弹性极限、疲劳强度,较低的弹性模量、较高的屈强比和淬透性,直径在30~45mm的圆棒试样,油中可淬透;热处理时过热和脱碳倾向小,冲击韧性也良好;但焊接性差,冷变形塑性低,热加工时具有形成白点的敏感性;主要在淬火并中温回火后使用。用途:适用于制造大截面的高载荷重要弹簧及工作温度低于300℃的阀门弹簧、活塞弹等;也可用于非腐蚀性介质中、工作温度<400℃的其创收大截面的重要调质零件。 60W4MnBA--特性:性能与60CrMnA钢基本相似,但有更好的淬透性,在油中临界淬透直径约为100~150mm。用途:适用于制造大型弹簧,如推土机上的叠板弹簧,船舶上的大型螺旋弹簧和扭力弹簧。 30W4Cr2V A--特性:一种高强度的耐热弹簧钢,有良好的室温和高温力学性能,特别高的淬透性;回火稳定性甚佳,热加工性良好,适宜在调质状态下使用。用途:适用于制造温度≤500℃条件下的热弹簧,如锅炉主要安全弹簧、汽轮机上气封弹簧片等。
突变问题 常见的突变模型 轻绳：只产生拉力，方向沿绳子。绳子的弹力可以突变——瞬时产生，瞬时改变，瞬时消失。 轻弹簧：可产生拉力、支持力，方向弹簧。弹簧的弹力不能突变，在极短的时间内可认为弹力不变。 轻杆：可产生拉力、支持力，方向不一定沿杆。杆的弹力可以突变。 ※典型例题※ 例题1、原来做匀速运动的升降机内有一被伸长的轻质弹簧拉住、具有一定质量的物体A静止放在地板上，如图所示，现发现A突然被弹簧拉向右方，由此可判断，此时升降机的运动可能是 A．加速上升 B．减速上升 C．加速下降 D．减速下降 例题2、如图所示，两小球悬挂在天花板上，a、b两小球用细线连接，上面是一轻质弹簧，a、b两球的质量分别为m，2m，在细线烧断瞬间，两 球的加速度分别是 A．0；g B．-g；g C．-2g；g D．2g；0
例题3、 如图所示，竖直光滑杆上套有一个小球和两根弹簧，两弹簧 的一端各与小球相连，另一端分别用销钉M 、固定于杆上，小球处于静止状态。设拔去销钉M 瞬间。小球加速度的大小为12m/s 2，若不拔去销钉M 而拔去销钉N 瞬间，小球的加速度可能是(取g=10m/s 2) A ．22m/s 2，竖直向上 B ．22m/s 2，竖直向下 C ．2m/s 2，竖直向上 D ．2m/s 2，竖直向下 例题4、 如图所示，质量为m 的小球用水平弹簧系住，并用倾角为 30°的光滑木板AB 托住，小球恰好处于静止状态。当木板AB 突然向下撤离的瞬间，小球的加速度为 A ．0 B ．大小为g ，方向竖直向下 C ．大小为 3，方向垂直于木板向下 D ．大小为g 3 ，方向水平向右 例题5、 如图所示，质量为m 的物体A 系于两根轻弹簧L 1、L 2上， L 1的一端悬挂在天花板上C 点，与竖直方向的夹角为θ，L 2处于水平位置，左端固定于墙上B 点，物体处于静止状态，下列说法正确的是 A ．若将L 2剪断，则剪断瞬间物体加 速度a=gtan θ，方向沿 B 到A B ．若将L 2剪断，则剪断瞬间物体加 速度a=gsec θ，方向沿A 到C C ．若将L 1剪断，则剪断瞬间物体加速度a=gsec θ，方向沿C 到A D ．若将L 1剪断，则剪断瞬间物体加速度a=g ，方向竖直向下
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）。 E，μ称为泊桑比，同一牌号的泊桑拉伸弹性模量与切变弹性模量之间有一固定关系：G = ) + 1(2μ
第一章绪论 1.1 研究背景 需要全套设计的联系qq 945846125 对任何一位设计者来说，总愿意自出最优设计方案，使所设计的产品或工程设施具有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。 “最优化设计”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。是根据最优化远离和方法综合各方面因素，以人机配合方式或“自动套索”方式，在计算机上进行的半自动或者自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。其设计原则是最优化设计；设计手段是电子计算机及计算程序；设计方法是采用最优化数学方法。 实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效的设计方法。同时也可以使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之有更多精力从事创造性的设计，并大大提高了设计效率。 五十年代以前，用于解决最优化设计问题的数学方法仅限于古典的微分法和变分法。五十年代末数学规划方法被首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的理论基础。数学规划方法是在第二次世界大战期间发展起来的一个新的数学分支，线性规划与非线性规划时其主要内容。此外，还有动态规划，几何规划和随机规划等。在数学规划方法基础上发展起来的最优化设计，是六十年代初电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的设计饭方法。利用着这种设计方法，不仅使设计周期大大缩短，计算激动显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化设计问题。计算机的出现，使最优化设计方法及其理论蓬勃发展，成为应用数学中一个重要分支，并在许多科学技术得到应用。近些年，最优化设计设计方法已陆续建筑结构，化工，冶金，汽车等工程设计领域，并取得了显著效果，其中在设计方面的应用虽尚处于早期阶段，但也已经取得了丰硕的成果。一般来说，对于工程设计问题，所涉及的因素愈多，问题愈复杂，最优化设计结果所取得得成果索取的效益就愈大。 最优化设计反映出人们对于设计规律这一客观世界认识的深化。设计上的
Q235B钢低温力学性能研究 摘要：本文将Q235B管材加工成拉伸试样和冲击试样，拉伸试样按照国家标准GB6397-86进行加工，冲击试样按照GB/T229-1994进行加工。分别在15℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃的温度下，将试样保持一定的时间，然后进行拉伸和冲击试验，考察了不同温度下材料组织和性能的变化规律。 0 前言 某燃气公司的输气管道所用材质为Q235B钢，该管道在使用过程中曾经输送过-20℃左右的液化燃气，为检验管道钢材的组织和性能是否发生了变化，本文研究了Q235B低温钢力学性能研究，并对不同温度下的组织进行了观察。 1.实验材料及方法 实验材料为Q235B管材；分别在15℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃保持一定的时间，然后测试其力学性能，每种状态测试3个试样，实验结果取平均值。低温拉伸试验在MTS810岩石电子万能试验机上完成，冲击试样经48小时以上低温保存后在低温冲击试验机上完成。 2.实验结果及分析 2.1 金相组织观察 各种试验状态下的金相组织见图1。 （a）Q235B常温显微组织（100x）（b）Q235B 0℃保温恢复到室温显微组织（100x）
（c ）Q235B-10℃保温恢复到室温显微组织（100 x ） （d ）Q235B-20℃保温恢复到室温显微组织（100 x ） （e ）Q235B-30℃保温恢复到室温显微组织（100 x ） 图1 Q235B 钢不同温度保温恢复到室温显微组织 由图可见，不同温度保温后，材料的微观组织未发生明显的变化。每个试样组织分别为铁素体加珠光体的带状组织，带状级别1-2级，含有少量的夹杂物，夹杂物级别1-2级，局部2-3级，符合Q235B 材料要求。 2.2 硬度测量 将经过不同低温保持后的实验恢复到室温，然后按国家标准(GB231-84)测量布氏硬度，实验结果见图2。由图可以看出，硬度值基本保持稳定，没有明显变化。
A [常用牌号]：常用合金弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途。常用的合金弹簧钢有60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等。 60Si2Mn钢是应用最广泛的合金弹簧钢，其生产量约为合金弹簧钢产量的80％。它的强度、淬透性、耐回火性都比碳素弹簧钢高，工作温度达250℃，缺点是脱碳倾向较大，适于制造厚度小于10mm 的板簧和截面尺寸小于25mm的螺旋弹簧，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，用于500℃以下工作的 [弹簧成型方法]：对直径或板簧厚度大于10 mm的大弹簧，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的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。 [为保证弹簧具有高的强度和足够的韧性，通50CrVA钢的力学性能与60Si2Mn钢相近，但淬透性更高，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。锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等。 常采用淬火+中温回火。对热成形弹簧，可采用热成形余热淬火，对热冷成形的弹簧，有时可省去淬火、中温回火工艺，成形后只需进行200～300℃进行去应力退火即可。弹簧钢热处理后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度。 [性能]：硬度为40～48HRC，有较高的弹性极限和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性 弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服点和屈强比（σs/ σb）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间有稳定的弹性。 中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。 [化学成分]：合金弹簧钢为中、高碳成分，一般wC=0.5％～0.7％，以满足高弹性、高强度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、 Mn、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Mn容易使晶粒长大。加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火性的作用。 55Si2Mn--特性：强度大、弹性极限好，屈服比值高，热处理后韧性较好，焊接性差，冷变形塑性低，切削性尚好，淬透
模型组合讲解——弹簧模型（动力学问题） ［模型概述］ 弹簧模型是高考中出现最多的模型之一，在填空、实验、计算包括压轴题中都经常出现，考查范围很广，变化较多，是考查学生推理、分析综合能力的热点模型。 ［模型讲解］ 一. 正确理解弹簧的弹力 例1. 如图1所示，四个完全相同的弹簧都处于水平位置，它们的右端受到大小皆为F 的拉力作用，而左端的情况各不相同：①中弹簧的左端固定在墙上。②中弹簧的左端受大小也为F 的拉力作用。③中弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的桌面上滑动。④中弹簧的左端拴一小物块，物块在有摩擦的桌面上滑动。若认为弹簧的质量都为零，以l 1、l 2、l 3、l 4依次表示四个弹簧的伸长量，则有（ ） ① ② ③ ④ 图1 A. l l 21> B. l l 43> C. l l 13> D. l l 24= 解析：当弹簧处于静止（或匀速运动）时，弹簧两端受力大小相等，产生的弹力也相等，用其中任意一端产生的弹力代入胡克定律即可求形变。当弹簧处于加速运动状态时，以弹簧为研究对象，由于其质量为零，无论加速度a 为多少，仍然可以得到弹簧两端受力大小相等。由于弹簧弹力F 弹与施加在弹簧上的外力F 是作用力与反作用的关系，因此，弹簧的弹力也处处相等，与静止情况没有区别。在题目所述四种情况中，由于弹簧的右端受到大小皆为F 的拉力作用，且弹簧质量都为零，根据作用力与反作用力关系，弹簧产生的弹力大小皆为F ，又由四个弹簧完全相同，根据胡克定律，它们的伸长量皆相等，所以正确选项为D 。 二. 双弹簧系统
例2. （2004年苏州调研）用如图2所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg 的滑块，滑块可无摩擦的滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a 、b 上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b 在前，传感器a 在后，汽车静止时，传感器a 、b 的示数均为10N （取g m s =102 /） 图2 （1）若传感器a 的示数为14N 、b 的示数为6.0N ，求此时汽车的加速度大小和方向。 （2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a 的示数为零。 解析：（1）F F ma 121-=，a F F m m s 112240= -=./ a 1的方向向右或向前。 （2）根据题意可知，当左侧弹簧弹力F 10'=时，右侧弹簧的弹力F N 220'= F ma 22'= 代入数据得a F m m s 22210= ='/，方向向左或向后 ［模型要点］ 弹簧中的力学问题主要是围绕胡克定律F kx =进行的，弹力的大小为变力，因此它引起的物体的加速度、速度、动量、动能等变化不是简单的单调关系，往往有临界值，我们在处理变速问题时要注意分析物体的动态过程，为了快捷分析，我们可以采用极限方法，但要注意“弹簧可拉可压”的特点而忽略中间突变过程，我们也可以利用弹簧模型的对称性。 ［模型演练］ （2005年成都考题）如图3所示，一根轻弹簧上端固定在O 点，下端系一个钢球P ，球处于静止状态。现对球施加一个方向向右的外力F ，吏球缓慢偏移。若外力F 方向始终水平，移动中弹簧与竖直方向的夹角θ<90 且弹簧的伸长量不超过弹性限度，则下面给出弹簧伸长量x 与cos θ的函数关系图象中，最接近的是（ ）
弹簧钢的特性和应用 弹簧钢的特性和应用 牌号65、70、85 可得到很高强度、硬度、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，但多用于工作温度不高的小型弹簧或不太重要的较大弹簧。如汽车、拖拉机、铁道车辆及一般机械用的弹簧 65Mn 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，但对过热比较敏感，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，亦可制气门弹簧、弹簧环，减振器和离合器簧片、刹车簧等 55Si2Mn 60Si2Mn 60Si2MnA 硅含量(Wsi)高(上限达2.00%)，强度高，弹性好。抗回火稳定性好。易脱碳和石墨化。淬透性不高 主要的弹簧钢类，用途很广。制造各种弹簧，如汽车、机车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧，汽缸安全阀簧及一些在高应力下工作的重要弹簧，磨损严重的弹簧 55Si2MnB
因含硼，其淬透性明显改善 轻型、中型汽车的前后悬挂弹簧、副簧 55Si2MnB 我国自行研制的钢号，淬透性、综合力学性能、疲劳性能均较60Si2Mn钢好 主要制造中、小型汽车的板簧，使用效果好，亦可制其他中等截面尺寸的`板簧、螺旋弹簧 60Si2CrA 60Si2CrVA 高强度弹簧钢。淬透性高，热处理工艺性能好。因强度高，卷制弹簧后应及时处理消除内应力 制造载荷大的重要大型弹簧。60Si2CrA可制汽轮机汽封弹簧、调节弹簧、冷凝器支承弹簧、高压水泵碟形弹簧等。60Si2CrVA钢还制作极重要的弹簧，如常规武器取弹钩弹簧、破碎机弹簧 55CrMnA 60CrMnA 突出优点是淬透性好，另外热加工性能、综合力学性能、抗脱碳性能亦好 大截面的各种重要弹簧，如汽车、机车的大型板簧、螺旋弹簧等 60CrMnMoA
涉及弹簧的力学问题 1．弹簧的作用力分析 弹簧在弹性限度内，产生的弹力遵从胡克定律f=kx ，式中x 指相对原长的形变量。当形变量变化Δx 时，弹力也发生相应的变化Δf ，且Δf=k Δx 。 例1 如图1，轻弹簧上端固定，下端挂一质量为m o 的平盘，盘内放一质量为m 的物体。当盘静止时，弹簧的长度比其自然长度伸长了L 。今向下拉盘，使弹簧再伸长ΔL 后停止，然后松手放开。设弹簧总处在弹性限度内，则刚松开手时，盘对物体的支持力等于 (A)(1十ΔL ／L)mg (B)(1十ΔL ／L)(m 十m 。)g (C) ΔL(m 十m 。)g/L (D) ΔL ·mg ／L 解析：对系统，静止时 kL ＝(m 十m o )g ① 再下拉ΔL 后松手瞬间，有 k(L+ΔL)—(m+m 。)g ＝(m+m 。)a ② 由①②得k ΔL ＝(m 十m 。)a ③ 图1 此时系统所受的合外力为k ΔL ，也可直接用Δf=k Δx 得出。 对物体m ：N 一mg ＝ma ④ 联立③④得N ＝(1十ΔL/L)·mg 本题也可用特殊值验证：令ΔL ＝0，N ＝mg 只有选项(A)正确。 2．弹簧振子的运动分析 例2 一弹簧振子作简谐振动，周期为T 。 (A)若t 时刻和(t 十Δt)时刻振子运动的位移大小相等、方向相同，则Δt 一定等于T 的整数倍。 (B)若t 时刻和(t 十Δt)时刻振子运动速度大小相等、方向相反，则一Δt 定等于T ／2的整数倍 (C)若Δt ＝T ，则t 时刻和(t 十Δt)时刻振子运动的加速度一定相等 (D)若Δt ＝T ／2，则T 时刻和(t 十Δt)时刻弹簧的长度一定相等 解析 (1)弹簧振子作简谐振动，其位移x 一时间t 关系图线 应是正弦或余弦曲线。设为正弦曲线，如图2，并在图上找出t 和 (t 十Δt)两个时刻及其对应的a 、b 两点。 (2)从x 一t 图上可看出，虽然t 和(t 十Δt)两时刻振子位移x 大小相等、方向相同，但时间Δt 可不等于T 的整数倍，故选项(A)错。 (3)已知过x 一t 图线上某点的切线斜率表示速度。由图可看出，过a 、b 两点所作切线的斜率大小相等、符号相反(表示速度方向相反)，但Δt 不等于T ／2的整数倍，故选项(B)错。 (4)若Δt ＝T ，由简谐振动的周期性可知，和(t 十Δt)两时刻振子的位移一定等大同向，故两时刻的受力完全相同，振子的加速度一定相等，故选项(C)正确。 (5)若Δt ＝T ／2，则可从x 一t 图明确看出，若t 时刻弹簧被拉伸，则(t 十Δt)时刻弹簧被压缩，二者的长度不等，故选项(D)错。 3．弹簧储能变化分析 例3 质量为m 的钢板与直立轻弹簧上端连结，弹簧下端固定在地上。平衡时，弹簧的压缩量为x 0，如图3。一物体从钢板正上方距离为3x 0的A 处自由落下，打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动，但不粘连。它们到达最低点后又向上运动。已知物体质量也为m 时，它们恰能回到O 点。若物块质量为2m ，仍从A 处自由落下，则物块和钢板回到O 点时，还具有向上的速度，求物块向上运动到达的最高点与O 点的距离。 解析 物块与钢板相碰前的速度 ① 设V 1表示质量为m 的物块与钢板碰撞后一起向下运动的速度，因碰撞时间极短 006gx V
Mg-Zn-RE-Zr合金的拉伸力学性能和微观结构的发展文章中将成分为Mg-5.3Zn-1.13Nd-0.51La-0.28Pr-0.79Zr的铸件进行热挤压，并且对挤压比和温度对显微组织和力学性能的影响进行了研究。结果表明当挤压比从0提高到9的时候铸态合金晶粒变粗大，共晶成分沿着挤出方向拉长。然而,进一步提高挤压比率对晶粒细化和改善合金的力学性能的影响不大。动态再结晶是热挤压过程中晶粒细化的主要机制，提高挤压温度导致出现等轴晶粒。与此同时,力学性能随挤压温度的升高而降低。
目录 第1章介绍 (3) 第2章试验方法 (4) 第3章实验结果 (5) 3.1铸态合金显微组织 (5) 3.2挤压合金的微观组织演变 (9) 3.2.1改变挤压比和温度对微观组织的影响 (9) 3.2.2挤压比和挤压温度对力学性能的影响 (12) 第4章讨论 (16) 第5章.结论 (18) 第6章致谢 (20)
第1章介绍 镁合金因其低密度、高特定的刚度和良好的阻尼能力在汽车和航空工业上吸引了人们的注意[1]。镁合金可以大致分为含铝合金和无铝合金[2]。广泛使用镁合金属于Mg-Al系列，比如AZ91和AM60，它们具有良好的铸造性能和较低的成本[3]。然而,因为他们的机械性能和热稳定性差，这些合金的应用受到了限制[4]。与Mg-Al系列相比,Mg-Zn系列的合金,比如ZK60系列合金，是具有很大发展潜力的低成本高强度镁合金[5]。 在所有的镁合金中，AZ60具有较好的机械性能，比如室温下或者高温下具有高强度[6]。然而,它的强度在室温或者高温时候还是低于铝合金。最近,据报道,添加稀土可以改善ZK60合金的力学性能[7]。周教授等人研究了稀土元素钕和钇对于ZK60合金的微观结构和力学性能的影响。钕和钇的结合在动态再结晶过程中对细化晶粒产生了很大的影响。此外,钕和钇的结合还提高了屈服强度和抗拉强度。何教授等人的确定了钆元素对ZK60合金显微组织和力学性能的影响。钆的增加大大减少了时效硬化效果和少量的降低了屈服强度和抗拉强度。然而,添加钆造成的晶粒细化补偿了部分屈服强度和抗拉强度的损失。张教授等人[9]指出ZK60合金与铒结合之后改善变形性能,细化了晶粒和显微组织，具有良好的机械性能。 在这项研究中,镁合金准备直接进行冷铸造。此外,挤压比和温度对合金影响也表现了体现出来。