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1.概述
彈簧是機械設備中重要的零件，而其工作狀態(tài)的好壞往往取決于所用材料的狀態(tài)，材料的品質(zhì)對彈簧的性能起到?jīng)Q定性的作用。
彈簧制造最常用的材料有金屬和非金屬兩大類(lèi)。作為彈性元件的功能材料，高彈性無(wú)疑是材料最重要的性能，同時(shí)，由于彈簧通常是在變應力的條件下工作，從而要求材料具有優(yōu)越的耐疲勞性能。另外，為了便于加工成形，減少突然性的失效，材料應具有足夠的塑性和韌性。
彈簧制造最初是采用木、竹類(lèi)等天然材料，進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代后，金屬材料開(kāi)始廣泛應用于彈簧制造領(lǐng)域。隨著(zhù)機械產(chǎn)品功能的不斷擴展，性能指標的不斷提高，對彈簧的要求也不斷提高，逐步形成了各類(lèi)特殊的、專(zhuān)用的彈簧材料。目前用量最大、用途最廣的彈簧材料當屬彈簧鋼，彈簧鋼具有高強度、高屈強比的特性。為滿(mǎn)足特殊工況的使用要求，不銹彈簧鋼及特殊耐高溫、恒彈性合金等材料也開(kāi)始用于彈簧制造，大大地拓寬了金屬彈簧的選材范圍。
在非金屬材料方面，近年來(lái)隨著(zhù)化學(xué)橡膠工業(yè)地快速發(fā)展，橡膠、聚胺酷類(lèi)和增強型塑料材料也廣泛被應用于彈簧產(chǎn)品，并在減振、降噪音等領(lǐng)域得到廣泛應用：以氮氣或氣液為介質(zhì)的空氣彈簧也廣泛應用于沖壓模具、主機減振、恒力器具、超高溫彈性結構等領(lǐng)域，陶瓷材料具有耐高溫(800℃以上)、耐腐蝕、耐磨損等特殊性能，也開(kāi)始作為彈簧材料在一些場(chǎng)合應用。
現代科技的發(fā)展使彈簧材料的品種越來(lái)越多，彈簧設計有了更寬廣的選材范圍，使得彈簧產(chǎn)品的應用更能滿(mǎn)足其功能要求，也更具有安全性、經(jīng)濟性和環(huán)境保護的特性。
1.1彈簧材料的種類(lèi)
常用的金屬彈簧材料如下所示：
彈簧鋼
碳素彈簧鋼
典型排號有70、65Mn、T8等
合金彈簧鋼
典型排號有50CrV、55CrSi、60Si2Mn等
彈簧用不銹鋼
典型排號有典型牌號有12Cr18Ni9、06Cr19Ni9、07Cr17Ni7Al等
彈性合金
銅合金
典型排號有錫青銅、硅青銅鎖青銅、白銅和黃銅
鎳及鎳合金
典型排號有純鎳、鎳銅合金、鎳鉆合金鎳鉻合金
其他金屬合金
典型排號有高速工具鋼、彈性元件用合金記憶合金等
1.2彈簧材料的主要力學(xué)性能
（1）彈性物體在外力的作用下會(huì )發(fā)生變形。當外力去除后物體能自動(dòng)恢復到原來(lái)的尺寸和形狀時(shí)，則該變形稱(chēng)為彈性變形，不能恢復原來(lái)尺寸的變形則稱(chēng)為塑性變形。物體所表現的這種性質(zhì)，主要是由物體內部微觀(guān)粒子間的相互作用力造成的。物體內部的微觀(guān)粒子主要受到正負電荷間的引力和同性電荷間的斥力作用。當斥力和引力達到平衡時(shí)，物體在宏觀(guān)上表現為穩定的尺寸和形狀。當物體受到外力作用時(shí)，微觀(guān)粒子間的作用力平衡被打破，產(chǎn)生相對位移，物體在宏觀(guān)上表現為變形。如果變形不大，外力去除后物體內部粒子可以重新回復到原有的平衡位置，這時(shí)的變形就是彈性變形。如果變形較大，物體內部粒子產(chǎn)生了較大的位移，外力去除后不能回復原位，這時(shí)就產(chǎn)生了塑性變形:當發(fā)生過(guò)量的塑性變形時(shí)，材料就會(huì )破裂。
衡量物體彈性的主要指標是彈性模量，其物理意義是:材料產(chǎn)生單位應變時(shí)所需的應力大小，單位為 MPa。彈性模量的本質(zhì)是物體內部粒子離開(kāi)平衡位置的難易程度，所以它只取決于物體內部粒子結合的特性，而晶粒大小、組織結構等特性對它的影響不大。從這個(gè)意義上說(shuō)，彈性模量是一種對結構特性不敏感的性質(zhì)。根據胡克定律，二個(gè)理想的彈性體，在應變不大的情況下，應力與應變之間存在線(xiàn)性關(guān)系一般表達式為
2.1彈簧鋼應具備的基本性能
(1)高強度 為了滿(mǎn)足機械設計中節能和輕量化的要求，所使用的彈簧鋼在滿(mǎn)足塑性和韌性的前提下，抗拉強度和屈服強度越高越好?？估瓘姸群弯摰幕瘜W(xué)成分、微觀(guān)組織結構、熱處理技術(shù)與工藝及冷加工(冷拔或冷軋)變形量等因素密切相關(guān)。如冷拉強化碳素彈簧鋼絲，碳含量越高，其原料和成品抗拉強度就越高;對于亞共析鋼 (如65Mn) 索氏體化處理來(lái)說(shuō)，先共析鐵素體含量越少，索氏體片層間距越小，待拉拔原料和拉拔成品的抗拉強度就越高。對于生產(chǎn)淬回火彈簧鋼絲的材料來(lái)說(shuō)，硅含量越高，材料抗拉強度越高，如55CrSi抗拉強度明顯高于50CrVA。
(2)高屈強比 彈簧的工作特性決定了彈簧鋼需要盡可能高的彈性變形能力，反映在性能參數上，就是在保證塑性的前提下，屈服強度越高越好。通常情況下，鋼的抗拉強度越高，其屈服強度也越高。但由于鋼的抗拉強度不能無(wú)限提高，所以希望在有限的抗拉強度范圍內盡量提高鋼的屈服強度，也就是提高鋼的屈強比。
屈強比和鋼的化學(xué)成分、微觀(guān)組織結構、熱處理技術(shù)和工藝、冷加工變形量等因素密切相關(guān)，它是鋼鐵行業(yè)的一項重要研究?jì)热?。目前淬回火低合金彈簧鋼絲屈強最大可達92%。
(3)良好的塑性在彈簧制造過(guò)程中，材料需經(jīng)過(guò)不同程度的加工變形，因此需要材料具有一定的塑性。尤其是冷加工成形過(guò)程，對塑性的要求更為嚴格。如形狀復雜的拉簧彎鉤和扭臂，曲率半徑往往很小，在局部會(huì )造成強烈的塑性變形，這時(shí)對材料的塑性就有很?chē)栏裆踔潦强量痰囊蟆?/p>
(4)良好的韌性，成品彈管在服役過(guò)程中，需要承受動(dòng)載荷或靜載荷，同時(shí)可能承受應力不確定的沖擊載荷，材料如果沒(méi)有足夠的沖擊韌性，彈簧的可靠性就無(wú)法保證。
(5)良好的抗松馳能力 彈簧的抗松弛能力也叫彈性減退抗力，是指彈警在工作環(huán)增下長(cháng)期承受動(dòng)載荷或靜載荷時(shí)，抵抗發(fā)生塑性變形的一種能力。彈減失效是彈簧最常見(jiàn)的失效形式之一。
彈簧的抗松弛能力主要取決于鋼的化學(xué)成分和強化方式，如淬回火彈簧鋼中硅含量越高其彈簧的抗松弛能力越高，因而可通過(guò)調整合金元素種類(lèi)和含量來(lái)改善固溶強化、沉淀硬化和細晶強化的效果，進(jìn)而提高彈簧的抗松弛能力。而不同的加工工藝其強化機理不同，抗松馳效果也不同，淬回火鋼絲制成的彈簧抗松馳能力明顯高于索氏體化冷拉鋼絲制成的彈簧。
(6)優(yōu)良的表面質(zhì)量 彈簧工作時(shí)次表面承受的應力最大，但疲勞破壞絕大部分情況下都是由材料表面缺陷引起。如果材料表面存在裂紋、折疊、麻坑、麻面、劃傷和壓痕等缺陷，最易使彈簧工作中造成應力集中，形成疲勞斷裂的源點(diǎn)。此外，如果材料表層存在嚴重的脫碳，尤其是有較厚的全脫碳層，會(huì )造成噴丸強化效果下降，使得疲勞裂紋首先在表層脫碳部分形成，降低彈簧疲勞壽命，因此嚴格控制脫碳層是非常重要的。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對于高疲勞要求的重要用途彈簧，如氣門(mén)彈簧、懸架彈簧和離合器彈簧等，為了提高材料的表面質(zhì)量，一般采用扒皮或磨光工藝，將材料表面剝掉一層，使得小缺陷和不嚴重脫碳層完全去除，少量的大缺陷可用渦流檢測的方法標定位置，在后續制簧過(guò)程中剔除。彈簧熱處理時(shí)，可采用保護氣氛加熱，防止表面脫碳和氧化。
(7) 高的疲勞壽命 彈簧的疲勞壽命是一個(gè)綜合性考核指標，它和鋼的化學(xué)成分及其偏析程度、金相組織、晶粒度、非金屬夾雜含量及其分布狀態(tài)、抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、延伸率、表面質(zhì)量、制簧工藝 (如熱處理工藝、噴丸工藝、表層軟氮化等)、服役時(shí)的應力水平及應力幅、載荷性質(zhì)和裝配質(zhì)量等都有很大關(guān)系，因此在彈簧生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節都需要嚴格控制。
(8) 高的尺寸精度 許多彈簧對負荷精度有較高的要求，如氣門(mén)彈簧負荷偏差不得大于規定負荷的5%~6%。以采用圓鋼絲制成的拉、壓彈簧為例，如果鋼絲的直徑偏差1%負荷會(huì )產(chǎn)生4%左右的偏差。因此，高的尺寸精度對彈簧的質(zhì)量也是十分的重要的。
(9) 良好的均勻性 材料的均勻性主要是指化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸偏差和圓度等應盡可能保持一致，其波動(dòng)范圍應盡量小。如果材料的各項指標相差較大時(shí)，會(huì )導致彈簧的幾何尺寸、硬度、負荷等參數離散性增大，嚴重時(shí)甚至會(huì )產(chǎn)生大量的廢品。
2.2彈簧鋼應具備的特殊性能
在特殊條件下使用的彈簧鋼除了應具有彈簧鋼的基本性能以外，往往還需要具有一些其他性能。
(1)抗腐蝕能力 有些彈簧的使用環(huán)境具有腐蝕性，這時(shí)就需要材料具有良好的耐蝕能力。為此，一般向鋼中添加大量的 Cr、Ni等合金元素，形成系列不銹彈簧鋼，如奧氏體型304、304H及奧氏體-馬氏體型沉淀硬化631等。
(2)抗高溫軟化能力 用于高溫場(chǎng)所的彈簧必須具備良好的抗高溫軟化能力，否則，會(huì )因彈性減退造成失效。為此，一般采用合金含量大于5%的高合金彈簧鋼 (如30W4Cr2VA)，甚至采用高速工具鋼 (如W18Cr4V)生產(chǎn)彈簧，這些材料使用溫度可達500~550C，而低合金回火彈簧鋼絲制造的彈簧長(cháng)期服役溫度一般不應超過(guò)150。(3)無(wú)磁性通常情況下，彈簧服役時(shí)對其有無(wú)磁性并無(wú)特殊要求，但在一些特定場(chǎng)合 (如某些精密儀表中) 安裝的彈簧，為了避免磁力的干擾及保證其測量精度，要求彈簧必須沒(méi)有磁性。
2.3彈簧鋼中合金元素的作用
彈簧鋼中合金元素的作用機理很復雜，很難用簡(jiǎn)潔的文字做出準確的描述。因此，僅對低合金彈簧鋼中主要合金元素的作用進(jìn)行概略的介紹。(1)碳 碳是彈簧鋼中基本的強化元素，在鋼中主要起固溶強化和彌散強化(和其他合金元素反應形成細小彌散分布的碳化物)作用，是彈簧鋼中不可缺少的元素。碳素彈簧鋼絲采用索氏體化冷拉工藝時(shí)，鋼中碳的作用主要是影響片層狀索氏體組織中片狀碳化物含量及碳化物片的厚薄，為后續鋼絲冷拉時(shí)抗拉強度的快速提高提供保證。采用淬回火熱處理工藝時(shí)，碳主要起固溶強化作用，是保證其回火屈氏體組織具有良好強度和硬
度的關(guān)鍵因素。低合金彈簧鋼中碳含量范圍為0.47% ~0.70%;極少量板條馬氏體加回火狀態(tài)使用的汽車(chē)板簧用彈簧鋼中碳含量范圍為 0.20% ~0.40%。一般較高的碳含量對鋼的強度、硬度和彈性是有利的，但對鋼的塑性和韌性是不利的。
(2) 硅(Si) 硅不是碳化物形成元素。硅具有強烈的固溶強化能力，在鋼中主要起固溶強化作用，并通過(guò)抑制滲碳體在回火過(guò)程中晶核的形成和長(cháng)大，從而改變滲碳體的形態(tài)和分布，提高鋼的抗松弛能力。在適量范圍之內，硅含量越高，抗彈性減退能力越大.但硅有促使鋼脫碳的傾向，且鋼中硅和碳含量高到一定比例時(shí)，會(huì )出現石墨化現象，產(chǎn)生黑色斷口。迄今為止，對鋼中硅的最佳含量尚無(wú)統一觀(guān)點(diǎn)，冶金產(chǎn)品實(shí)際控制范圍大致在0.17%~2.60%。
(3) 錳(Mn)錳能提高鋼的淬透性，有一定的固溶強化作用，但含量較高時(shí)會(huì )加大材料的熱敏感性和回火脆性，淬火時(shí)開(kāi)裂傾向亦較大。在彈簧鋼產(chǎn)品中錳含量一般介于0.40%~1.00%之間。
(4)鉻(Cr)鉻是彈簧鋼中重要的合金元素，不但能顯著(zhù)提高鋼的淬透性和抗氧化抗腐蝕能力，還能提高其回火穩定性，有利于改善鋼的強韌性。在鋼中加人0.50%的Cr可使材料屈服強度提高16%，脫碳層深度減少50%。鉻還能有效防止 Si-Mn 彈簧鋼球化退火時(shí)發(fā)生石墨化。鉻對鋼的抗松馳能力的影響比較復雜，當其含量低于0.70% 時(shí)，對鋼的抗松弛能力沒(méi)什么影響;大于0.70% 時(shí)，起負面作用。低合金彈簧鋼中鉻含量一部分介于0.50%~1.12%之間:一部分不大于0.35%
(5)鎳(Ni)鎳的價(jià)格昂貴，在彈簧鋼冶煉過(guò)程中一般不主動(dòng)添加鎳元素，基本上以殘余元素身份存在，只有極少數高品質(zhì)彈簧鋼中添加0.20% ~0.50%，起改善韌性作用。
(6)釩(V)釩是強碳化物形成元素，在鋼中形成細小彌散且硬度很高的VC可以細化鋼的晶粒，提高鋼的塑性、韌性和屈強比。彈簧鋼中釩含量范圍一般為0.10%~025%。
(7)硼(B)硼能顯著(zhù)提高鋼的透性，主要用于生產(chǎn)截面較大的汽車(chē)板簧等大截面彈簧。其含量一般為0.0005% ~0.0040%。某些研究表明，添加微量的硼有利于提高鋼的彈減抗力，這可能是由于硼固溶于鋼中時(shí)偏聚產(chǎn)生位錯，釘扎位錯使其不易移動(dòng)的結果。
(8)鎢(W)鎢在彈簧鋼中的作用主要是提高鋼的淬透性和耐熱性能及細化晶粒，使彈簧在較高溫度下仍能保持高的強度和彈性。低合金鋼中鎢含量一般為0.05% -0.25%或0.80%-1.20%。
(9)(Mo)是強碳化物的形成元素，主要是和鋼中碳反應，在鋼中形成細小彌散的碳化物微粒，起到二次硬化的作用。含量一般為0.05%~025%或0.20%~075%。