弹簧的分类性能要求失效形式应用常见弹簧钢弹性合金

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。用弹性材料制成的零件在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状。亦作“弹簧”。弹簧的分类按受力性质，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧，按形状可分为碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧、截锥涡卷弹簧以及扭杆弹簧等，按制作过程可以分为冷卷弹簧和热卷弹簧。普通圆柱弹簧由于制造简单，且可根据受载情况制成各种型式，结构简单，故应用最广。弹簧的制造材料一般来说应具有高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性及良好的热处理性能等，常用的有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢以及铜合金、镍合金和橡胶等。弹簧的制造方法有冷卷法和热卷法。弹簧丝直径小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用热卷法。有些弹簧在制成后还要进行强压或喷丸处理，可提高弹簧的承载能力。弹簧可以分为以下7类：1、螺旋弹簧即扭转弹簧，是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是密绕成螺旋形。扭转弹簧端部结构是加工成各种形状的扭臂，而不是勾环。2、拉伸弹簧是承受轴向拉力的螺旋弹簧。在不承受负荷时，拉伸弹簧的圈与圈之间一般都是并紧的没有间隙。3、压缩弹簧是承受轴向压力的螺旋弹簧，它所用的材料截面多为圆形，也有用矩形和多股钢萦卷制的，弹簧一般为等节距的，压缩弹簧的形状有：圆柱形、圆锥形、中凸形和中凹形和少量的非圆形等，压缩弹簧的圈与圈之间会有一定的间隙，当受到外载荷的时候弹簧收缩变形，储存变形能。4、扭力弹簧利用杠杆原理，通过对材质柔软、韧度较大的弹性材料扭曲或旋转，使之具有极大的机械能。5、渐进型弹簧，这种弹簧采用了粗细、疏密不一致的设计，好处是在受压不大时可以通过弹性系数较低的部分吸收路面的起伏，保证乘坐舒适感，当压力增大到一定程度后较粗部分的弹簧起到支撑车身的作用，而这种弹簧的缺点是操控感受不直接，精确度较差。6、线性弹簧，线性弹簧从上至下的粗细、疏密不变，弹性系数为固定值。这种设计的弹簧可以使车辆获得更加稳定和线性的动态反应，有利于驾驶者更好的控制车辆，多用于性能取向的改装车与竞技性车辆，坏处当然是舒适性受到影响。7、短弹簧短弹簧相比原厂弹簧要短一些，而且更加的粗壮，安装短弹簧，能够有效降低车身重心，减少过弯时产生的侧倾，使过弯更加稳定、顺畅，提升车辆弯道操控性。而原厂减震器的阻尼设定偏向舒适，所以短弹簧和原厂减震器在配合上不是很稳定，它不能够有效的抑制短弹簧的回弹和压缩，行驶在颠簸路面时，会有一种不适的跳跃感，长此以往，减震器的寿命会大大减短，而且还有可能出现漏油的情况。当然以上这些状况都是相对而言，日常行驶的话不会有这么严重的损坏，而且尽量不要激烈驾驶，毕竟原厂减震器承受不了高负荷的压力。弹簧的性能要求弹簧材料应具有的性能要求概括起来有如下几项内容：1、较高的强度；2、良好的塑表和韧性；3、良好的表面状态和疲劳性能；4、严格的尺寸和精度；5、对材料的均匀性要求；6、对弹簧的特殊要求；7、脱碳对疲劳性能的影响。1)高的强度：为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力，弹簧材料应具有高的屈服强度与弹性极限，尤其要有高的屈强比(／)。在通常情况下，材料的弹性极限与屈服强度成正比，因此弹簧设计和制造者总是希望材料具有高的屈服强度．而弹簧材料的抗拉强度和屈服强度较接近，如冷拔碳素钢丝的约为的90％左右：由于抗拉强度比屈服强度容易测得，在材料交货中提供的都是抗拉强度，故在设计制造时一般都用抗拉强度作为依据。但材料的抗拉强度并不是越高越好，强度过高会降低材料的塑性和韧性，增加脆性倾向。材料抗拉强度的高低与其化学成分、金相组织、热处理状况、冷加工(拉拔或轧制)程度及其他强化工艺等因素有关。抗拉强度与疲劳强度也有一定的关系，当材料的在1600MPa以下时，其疲劳强度随抗拉强度的增高而增高。大致上材料的疲劳强度与抗拉强度遵循的关系是：(其中为材料在对称循环下的疲劳强度)。2)良好的塑性和韧性：在弹簧制造过程中材料需经受不同程度的加工变形，因此要求材料具有一定的塑性。例如形状复杂的拉伸和扭转弹簧的钩环及扭臂，当曲率半径很小时，在加工卷绕或冲压弯曲成形时，弹簧材料均不得出现裂纹、折损等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或变载荷时，材料应具有良好的韧性，这样对提高弹簧的使用寿命会有很大的裨益。3)优良的表面状态和疲劳性能：弹簧工作时表面承受的应力最大，而疲劳破坏往往是从钢丝表面开始的，对于用在重要场合的弹簧如气门弹簧、阀门弹簧及悬架弹簧都要求有几百万次，几千万次甚至更长的循环寿命，这就对材料的疲劳性能提出了很高的要求。影响材料疲劳性能的因素很多，如材料的化学成分、硬度、钢材的纯净程度、表面质量和金相组织等，尤为重要的是材料的表面质量。材料的表面缺陷，如裂纹、折叠、鳞皮、锈蚀、凹坑、划痕和压痕等，都易使弹簧在工作过程中造成应力集中。其应力集中的部位常常是造成疲劳破坏的疲劳源。疲劳源还易在表面脱碳的部位首先发生，因此严格控制脱碳层深度也是一个很重要的质量指标。为提高弹簧材料的表面质量，可以对材料表面进行磨光或抛光，在钢丝拉拔前采用剥皮工艺剥除一层材料表皮，这样可以将大部分表面缺陷去掉。弹簧热处理时可采用控制气氛或真空热处理，防止表面脱碳和氧化。4)严格的尺寸精度：许多弹簧对负荷精度有较高的要求，如气门弹簧的负荷偏差不得大于规定负荷的5％—6％，以具有圆钢丝的拉、压弹簧为例，如果钢丝直径偏差为1％，负荷就会产生4％左右的偏差。由此可见，严格的尺寸精度对保证弹簧的质量也是十分重要的。5)好的均匀性：对材料的均匀性要求是指对材料的化学成分、力学性能、尺寸偏差等各项指标要求均匀和稳定一致。如果材料各方面性能不一致，会给弹簧生产带来很大的困难，造成产品几何尺寸、硬度、负荷等参数的离散性，严重的不均匀性甚至会造成废品。为了满足上述性能要求，弹簧钢必须具有优良的冶金质量，包括严格控制的化学成分、高的纯洁度、低的杂质含量、低的非金属夹杂物含量，并控制其形态、粒度和分布。此外还要求钢质的均匀性和稳定性。弹簧钢还应具有良好的表面质量(包括表面脱碳)和高精度的外形和尺寸。以下部分不知道有没有用，编辑的时候可以删除，目前主要采用电炉或转炉生产弹簧钢，其特点是功率大、容量大，在保证钢的质量同时具有经济性，用作一般机械用弹簧材料。对于高使用性能弹簧的材料，目前，广泛采用钢包精炼、真空脱气等炉外精炼技术，如钢包吹氩、钢包精炼炉(LF)、真空处理(RH)等，以严格控制化学成分、降低气体和各种非金属夹杂物含量等。而且还采用非金属夹杂物控制技术，控制非金属夹杂物的形态、粒度和分布，如喂人钙丝、喷吹钙粉等使非金属夹杂物中含有CaO，并控制其粒度；在炼钢过程中通过调整脱氧剂和炉渣成分来改变非金属夹杂物的成分，使其在热轧时容易塑性变形。使用RH脱气技术，可使氧含量大大降低，从而显著提高疲劳寿命。在弹簧钢生产中已广泛采用连铸。与模铸相比，采用连铸可通过电磁搅拌、低温铸造等技术减小钢的偏析，提高钢质的均匀性；减少二次氧化，改善钢的表面脱碳；使钢的组织和性能稳定、均匀；提高收得率和生产效率；与炉外精炼技术相配合降低氧含量和有效地控制钢的化学成分。在对弹簧钢材的尺寸偏差、截面形状、表面质量(包括表面脱碳层深度)和沿钢材长度显微组织均匀性的要求不断提高的情况下，国外广泛采用了纵列式全连续轧机，并不断改进以实现高速、无扭、无张力轧制。为了保证钢材尺寸精度采用短应力线或预应力轧机。(2)合金元素在弹簧材料中的作用弹簧材料的化学元素主要以铁、碳为主，为保证弹簧能满足不同条件下工作的需要，则在碳素弹簧钢的基础上添加了一定量的合金元素，从而使材料具有碳素弹簧钢所没有的优良性能，如高的弹性极限、良好的淬透性和耐腐蚀性等。各种合金元素在弹簧材料中的作用如下：碳(C)是钢中重要的化学元素，弹簧钢的／(C)范围是0．3％~1．2％，其中碳素弹簧钢的／(C)在0．60％~0．90％之间，合金弹簧钢的／(C)在0．46％~0．75％之间。含碳量越高，钢的硬度和强度越高，但塑性降低，脆性增加。锰(Mn)在弹簧钢中一般加入量为1％左右。其优点是淬透性好、强度较高、脱碳倾向较小，缺点是有过热敏感性和回火脆性倾向，淬火时开裂倾向亦较大。硅(Si)在碳素钢中的(Si)通常不超过0．37％，它是作为冶炼过程中的脱氧剂而加钢中的。含硅的合金弹簧钢其(Si)在0．70％~2．80％之间。由于硅能溶人铁素体中，入使铁素体显著强化，从而提高了钢的强度和屈强比，硅还能提高钢的淬透性和回火稳定性。但弹簧钢中含硅量不能过高，否则会造成钢的晶粒粗化，增加石墨化倾向。铬(Cr)能提高淬透性、细化晶粒，是制造高疲劳性能弹簧所用合金钢中的重要元素之一，当(Cr)达到13％以上时，具有很好的防腐蚀能力，是制造弹簧所用不锈钢中的主要添加元素。但铬能引起回火脆性，回火后均需快冷，以避免回火脆性的产生。镍(Ni)是我国资源较少的元素，一般弹簧钢中很少使用，它是奥氏体不锈钢中的主要成分之一。镍主要用于形成稳定奥氏体组织，铬镍奥氏体的组织稳定，高温下长期使用也不会脆化。钒(V)是强碳化物元素，和碳能结合成熔点很高的碳化钒，合金弹簧钢中加入少量的钒，则细化晶粒的作用就已十分明显，如50CrVA的(V)仅为0．1％—0．2％。弹簧钢中加入了钒细化了晶粒、降低了过热敏感性、提高了钢的静强度和疲劳强度。钨(w)主要作用是提高钢的淬透性耐热性能，使弹簧在较高温度下仍能保持高的强度和弹性，钨还能细化晶粒，如常用的弹簧材料65Si2MnWA，其淬透性、耐热性能都优于50CrVA。硼(B)能大大提高弹簧淬透性，加入极微量的硼(质量分数为十万分之几)，作用就极为明显。在硅锰弹簧钢的基础上加入微量的硼以后淬透性明显提高，在某些耐高温的合金弹簧材料中加入硼，能增加材料的持久强度。铝(A1)、钛(Ti)、铌(Nb)主要添加在弹簧用不锈钢或其他特殊用途的弹簧材料中，主要目的是提高材料的耐腐蚀性能或与镍、钼等组成沉淀硬化相，起到沉淀强化作用。钴(Co)是恒弹性材料，钴在3J21、3J32中作为主要添加元素，能使弹簧材料获得高的弹性极限，并且弹性模量温度系数也很小。但钻是贵重合金元素，除非必要，一般不轻易使用。铜(Cu)常作为铜合金中的基体元素，与其他添加的元素组成铜合金弹性材料。如与锡(Sn)、磷(P)、组成锡磷青铜，与硅、锰组成硅青铜，与铝组成铝青铜，与铍(Be)组成铍青铜等。以铜镍为主的蒙乃尔弹性合金有很好的耐腐蚀性能。铍(Be)主要是加人铜中组成铍青铜。铍青铜有优良的弹性性能。但铍有毒，且价格也很贵。上述各种合金元素可以单独添加，也可以几种元素一起添加，几种元素一起添加所起的作用要远大于每种元素单独添加所起作用的叠加，所以现在新研制的弹簧钢，在合金元素方面，都倾向于采用少量多元的办法。钢中除了以上这些有益元素外，还不可避免地存在一些有害的杂质。如硫(S)、磷(P)等。这些杂质会降低钢的塑性和韧性，增加脆性，形成的夹杂物严重地降低弹簧的寿命，所以要求这两种有害元素在钢中的含量越少越好。弹簧的失效形式不同材料的弹簧在工作过程中都会因其特性而对工作条件有所要求，由于弹簧的工作条件，其主要失效形式有以下几种。①塑性变形。外载荷产生的应力大于材料的屈服强度。掉后，弹簧不能恢复到原来的尺寸和形状。②快速脆性断裂。某些弹簧存在材料缺陷（如粗大夹杂物，过多脆性相）、加工缺陷（如折叠、划痕）、热处理缺陷（淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够）等，当受到过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。③疲劳断裂。在交变应力作用下，弹簧表面缺陷（裂纹疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。折叠、到痕、夹杂物）处产生④在腐蚀性介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；在高温下使用的弹簧配件易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。材料应用大多数材料都有不同程度的弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复其原形。在人类历史上，一定很早就注意到树苗和幼树的树枝有很大的挠性，因为许多原始文化利用这一特性，在特制的门后或笼子后楔上一根棍，或者用活结套在一根杆上向下拉；一旦松开张力，这根棍或杆就会往回弹。他们就用这种办法来捕捉飞禽走兽。实际上，弓就是按