弹簧的材料,弹簧的材料代号

1.概述

弹簧是机械设备中重要的零件，而其工作状态的好坏往往取决于所用材料的状态，材料的品质对弹簧的性能起到决定性的作用。

弹簧制造最常用的材料有金属和非金属两大类。作为弹性元件的功能材料，高弹性无疑是材料最重要的性能，同时，由于弹簧通常是在变应力的条件下工作，从而要求材料具有优越的耐疲劳性能。另外，为了便于加工成形，减少突然性的失效，材料应具有足够的塑性和韧性。

弹簧制造最初是采用木、竹类等天然材料，进入工业化时代后，金属材料开始广泛应用于弹簧制造领域。随着机械产品功能的不断扩展，性能指标的不断提高，对弹簧的要求也不断提高，逐步形成了各类特殊的、专用的弹簧材料。目前用量最大、用途最广的弹簧材料当属弹簧钢，弹簧钢具有高强度、高屈强比的特性。为满足特殊工况的使用要求，不锈弹簧钢及特殊耐高温、恒弹性合金等材料也开始用于弹簧制造，大大地拓宽了金属弹簧的选材范围。

在非金属材料方面，近年来随着化学橡胶工业地快速发展，橡胶、聚胺酷类和增强型塑料材料也广泛被应用于弹簧产品，并在减振、降噪音等领域得到广泛应用：以氮气或气液为介质的空气弹簧也广泛应用于冲压模具、主机减振、恒力器具、超高温弹性结构等领域，陶瓷材料具有耐高温(800℃以上)、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能，也开始作为弹簧材料在一些场合应用。

现代科技的发展使弹簧材料的品种越来越多，弹簧设计有了更宽广的选材范围，使得弹簧产品的应用更能满足其功能要求，也更具有安全性、经济性和环境保护的特性。

1.1弹簧材料的种类

常用的金属弹簧材料如下所示：

1.2弹簧材料的主要力学性能

（1）弹性物体在外力的作用下会发生变形。当外力去除后物体能自动恢复到原来的尺寸和形状时，则该变形称为弹性变形，不能恢复原来尺寸的变形则称为塑性变形。物体所表现的这种性质，主要是由物体内部微观粒子间的相互作用力造成的。物体内部的微观粒子主要受到正负电荷间的引力和同性电荷间的斥力作用。当斥力和引力达到平衡时，物体在宏观上表现为稳定的尺寸和形状。当物体受到外力作用时，微观粒子间的作用力平衡被打破，产生相对位移，物体在宏观上表现为变形。如果变形不大，外力去除后物体内部粒子可以重新回复到原有的平衡位置，这时的变形就是弹性变形。如果变形较大，物体内部粒子产生了较大的位移，外力去除后不能回复原位，这时就产生了塑性变形:当发生过量的塑性变形时，材料就会破裂。

衡量物体弹性的主要指标是弹性模量，其物理意义是:材料产生单位应变时所需的应力大小，单位为 MPa。弹性模量的本质是物体内部粒子离开平衡位置的难易程度，所以它只取决于物体内部粒子结合的特性，而晶粒大小、组织结构等特性对它的影响不大。从这个意义上说，弹性模量是一种对结构特性不敏感的性质。根据胡克定律，二个理想的弹性体，在应变不大的情况下，应力与应变之间存在线性关系一般表达式为

2.1弹簧钢应具备的基本性能

(1)高强度 为了满足机械设计中节能和轻量化的要求，所使用的弹簧钢在满足塑性和韧性的前提下，抗拉强度和屈服强度越高越好。抗拉强度和钢的化学成分、微观组织结构、热处理技术与工艺及冷加工(冷拔或冷轧)变形量等因素密切相关。如冷拉强化碳素弹簧钢丝，碳含量越高，其原料和成品抗拉强度就越高;对于亚共析钢 (如65Mn) 索氏体化处理来说，先共析铁素体含量越少，索氏体片层间距越小，待拉拔原料和拉拔成品的抗拉强度就越高。对于生产淬回火弹簧钢丝的材料来说，硅含量越高，材料抗拉强度越高，如55CrSi抗拉强度明显高于50CrVA。

(2)高屈强比 弹簧的工作特性决定了弹簧钢需要尽可能高的弹性变形能力，反映在性能参数上，就是在保证塑性的前提下，屈服强度越高越好。通常情况下，钢的抗拉强度越高，其屈服强度也越高。但由于钢的抗拉强度不能无限提高，所以希望在有限的抗拉强度范围内尽量提高钢的屈服强度，也就是提高钢的屈强比。

屈强比和钢的化学成分、微观组织结构、热处理技术和工艺、冷加工变形量等因素密切相关，它是钢铁行业的一项重要研究内容。目前淬回火低合金弹簧钢丝屈强最大可达92%。

(3)良好的塑性在弹簧制造过程中，材料需经过不同程度的加工变形，因此需要材料具有一定的塑性。尤其是冷加工成形过程，对塑性的要求更为严格。如形状复杂的拉簧弯钩和扭臂，曲率半径往往很小，在局部会造成强烈的塑性变形，这时对材料的塑性就有很严格甚至是苛刻的要求。

(4)良好的韧性，成品弹管在服役过程中，需要承受动载荷或静载荷，同时可能承受应力不确定的冲击载荷，材料如果没有足够的冲击韧性，弹簧的可靠性就无法保证。

(5)良好的抗松驰能力 弹簧的抗松弛能力也叫弹性减退抗力，是指弹警在工作环增下长期承受动载荷或静载荷时，抵抗发生塑性变形的一种能力。弹减失效是弹簧最常见的失效形式之一。

弹簧的抗松弛能力主要取决于钢的化学成分和强化方式，如淬回火弹簧钢中硅含量越高其弹簧的抗松弛能力越高，因而可通过调整合金元素种类和含量来改善固溶强化、沉淀硬化和细晶强化的效果，进而提高弹簧的抗松弛能力。而不同的加工工艺其强化机理不同，抗松驰效果也不同，淬回火钢丝制成的弹簧抗松驰能力明显高于索氏体化冷拉钢丝制成的弹簧。

(6)优良的表面质量 弹簧工作时次表面承受的应力最大，但疲劳破坏绝大部分情况下都是由材料表面缺陷引起。如果材料表面存在裂纹、折叠、麻坑、麻面、划伤和压痕等缺陷，最易使弹簧工作中造成应力集中，形成疲劳断裂的源点。此外，如果材料表层存在严重的脱碳，尤其是有较厚的全脱碳层，会造成喷丸强化效果下降，使得疲劳裂纹首先在表层脱碳部分形成，降低弹簧疲劳寿命，因此严格控制脱碳层是非常重要的。

在实际生产过程中，对于高疲劳要求的重要用途弹簧，如气门弹簧、悬架弹簧和离合器弹簧等，为了提高材料的表面质量，一般采用扒皮或磨光工艺，将材料表面剥掉一层，使得小缺陷和不严重脱碳层完全去除，少量的大缺陷可用涡流检测的方法标定位置，在后续制簧过程中剔除。弹簧热处理时，可采用保护气氛加热，防止表面脱碳和氧化。

(7) 高的疲劳寿命 弹簧的疲劳寿命是一个综合性考核指标，它和钢的化学成分及其偏析程度、金相组织、晶粒度、非金属夹杂含量及其分布状态、抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率、表面质量、制簧工艺 (如热处理工艺、喷丸工艺、表层软氮化等)、服役时的应力水平及应力幅、载荷性质和装配质量等都有很大关系，因此在弹簧生产的各个环节都需要严格控制。

(8) 高的尺寸精度 许多弹簧对负荷精度有较高的要求，如气门弹簧负荷偏差不得大于规定负荷的5%~6%。以采用圆钢丝制成的拉、压弹簧为例，如果钢丝的直径偏差1%负荷会产生4%左右的偏差。因此，高的尺寸精度对弹簧的质量也是十分的重要的。

(9) 良好的均匀性 材料的均匀性主要是指化学成分、力学性能、尺寸偏差和圆度等应尽可能保持一致，其波动范围应尽量小。如果材料的各项指标相差较大时，会导致弹簧的几何尺寸、硬度、负荷等参数离散性增大，严重时甚至会产生大量的废品。

2.2弹簧钢应具备的特殊性能

在特殊条件下使用的弹簧钢除了应具有弹簧钢的基本性能以外，往往还需要具有一些其他性能。

(1)抗腐蚀能力 有些弹簧的使用环境具有腐蚀性，这时就需要材料具有良好的耐蚀能力。为此，一般向钢中添加大量的 Cr、Ni等合金元素，形成系列不锈弹簧钢，如奥氏体型304、304H及奥氏体-马氏体型沉淀硬化631等。

(2)抗高温软化能力 用于高温场所的弹簧必须具备良好的抗高温软化能力，否则，会因弹性减退造成失效。为此，一般采用合金含量大于5%的高合金弹簧钢 (如30W4Cr2VA)，甚至采用高速工具钢 (如W18Cr4V)生产弹簧，这些材料使用温度可达500~550C，而低合金回火弹簧钢丝制造的弹簧长期服役温度一般不应超过150。(3)无磁性通常情况下，弹簧服役时对其有无磁性并无特殊要求，但在一些特定场合 (如某些精密仪表中) 安装的弹簧，为了避免磁力的干扰及保证其测量精度，要求弹簧必须没有磁性。

2.3弹簧钢中合金元素的作用

弹簧钢中合金元素的作用机理很复杂，很难用简洁的文字做出准确的描述。因此，仅对低合金弹簧钢中主要合金元素的作用进行概略的介绍。(1)碳 碳是弹簧钢中基本的强化元素，在钢中主要起固溶强化和弥散强化(和其他合金元素反应形成细小弥散分布的碳化物)作用，是弹簧钢中不可缺少的元素。碳素弹簧钢丝采用索氏体化冷拉工艺时，钢中碳的作用主要是影响片层状索氏体组织中片状碳化物含量及碳化物片的厚薄，为后续钢丝冷拉时抗拉强度的快速提高提供保证。采用淬回火热处理工艺时，碳主要起固溶强化作用，是保证其回火屈氏体组织具有良好强度和硬

度的关键因素。低合金弹簧钢中碳含量范围为0.47% ~0.70%;极少量板条马氏体加回火状态使用的汽车板簧用弹簧钢中碳含量范围为 0.20% ~0.40%。一般较高的碳含量对钢的强度、硬度和弹性是有利的，但对钢的塑性和韧性是不利的。

(2) 硅(Si) 硅不是碳化物形成元素。硅具有强烈的固溶强化能力，在钢中主要起固溶强化作用，并通过抑制渗碳体在回火过程中晶核的形成和长大，从而改变渗碳体的形态和分布，提高钢的抗松弛能力。在适量范围之内，硅含量越高，抗弹性减退能力越大.但硅有促使钢脱碳的倾向，且钢中硅和碳含量高到一定比例时，会出现石墨化现象，产生黑色断口。迄今为止，对钢中硅的最佳含量尚无统一观点，冶金产品实际控制范围大致在0.17%~2.60%。

(3) 锰(Mn)锰能提高钢的淬透性，有一定的固溶强化作用，但含量较高时会加大材料的热敏感性和回火脆性，淬火时开裂倾向亦较大。在弹簧钢产品中锰含量一般介于0.40%~1.00%之间。

(4)铬(Cr)铬是弹簧钢中重要的合金元素，不但能显著提高钢的淬透性和抗氧化抗腐蚀能力，还能提高其回火稳定性，有利于改善钢的强韧性。在钢中加人0.50%的Cr可使材料屈服强度提高16%，脱碳层深度减少50%。铬还能有效防止 Si-Mn 弹簧钢球化退火时发生石墨化。铬对钢的抗松驰能力的影响比较复杂，当其含量低于0.70% 时，对钢的抗松弛能力没什么影响;大于0.70% 时，起负面作用。低合金弹簧钢中铬含量一部分介于0.50%~1.12%之间:一部分不大于0.35%

(5)镍(Ni)镍的价格昂贵，在弹簧钢冶炼过程中一般不主动添加镍元素，基本上以残余元素身份存在，只有极少数高品质弹簧钢中添加0.20% ~0.50%，起改善韧性作用。

(6)钒(V)钒是强碳化物形成元素，在钢中形成细小弥散且硬度很高的VC可以细化钢的晶粒，提高钢的塑性、韧性和屈强比。弹簧钢中钒含量范围一般为0.10%~025%。

(7)硼(B)硼能显著提高钢的透性，主要用于生产截面较大的汽车板簧等大截面弹簧。其含量一般为0.0005% ~0.0040%。某些研究表明，添加微量的硼有利于提高钢的弹减抗力，这可能是由于硼固溶于钢中时偏聚产生位错，钉扎位错使其不易移动的结果。

(8)钨(W)钨在弹簧钢中的作用主要是提高钢的淬透性和耐热性能及细化晶粒，使弹簧在较高温度下仍能保持高的强度和弹性。低合金钢中钨含量一般为0.05% -0.25%或0.80%-1.20%。

(9)(Mo)是强碳化物的形成元素，主要是和钢中碳反应，在钢中形成细小弥散的碳化物微粒，起到二次硬化的作用。含量一般为0.05%~025%或0.20%~075%。