弹簧的材料与性能

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%。