弹簧的热处理（一）.docx

弹簧的热处理（一）

来源：每天学点热处理

弹簧及弹性元件，是量大面广的基础零件，可以说是无处不在。在动力机械、电器、仪表、武器中作为控制性元件，也是非常关键的零件。它的基本功能是利用材料的弹性和弹簧的结构特点，在产生及恢复变形时，可以把机械功或动能转换为形变能，或者把形变能转换为动能或机械功，以达到缓冲或减振、控制运动或复位、储能或测量等目的。所以，在各类机械设备、仪器仪表、军工产品、电器、家具、家电甚至文具、玩具中都广泛使用弹簧。

影响弹簧质量和使用寿命的因素很多，如设计、选材、生产工艺及工况条件等等。其中，材质和热处理对弹簧的各种性能及其使用寿命有重要的甚至是决定性的影响。本文分四个主题，分别介绍各类机械设备中常用的弹簧材料和典型弹簧的热处理，对于特殊用途的弹性材料和元件的热处理只做扼要介绍。

一、弹簧的分类、服役条件、失效方式和性能要求

1?弹簧分类

弹簧种类很多，可按形状、承载特点、制造方法、材料成分和不同用途进行分类。每一类中又分为若干小类和不同规格。GB/T1805弹簧的标准中列出了22种，弹簧行业1990年提出的内部标准《弹簧种类》中，把弹簧分为15个小类。弹簧行业多按形状分类，在机械制造业中多按用途分类或按上述两者综合命名。如表1。

▼表1?弹簧的分类

典型螺旋弹簧及板簧如图1所示。

▲图1?典型螺旋弹簧及板簧

2?弹簧的服役条件和失效形式

2.1弹簧的服役条件和应力状态

弹簧的服役条件是指它的工作环境（温度和介质）及应力状态等因素。工作温度可分为低温（室温以下）、室温、较高温（120℃~350℃）、高温（350℃以上）几个档次。工作环境介质有空气、水蒸气、雨水、燃烧产物、以及酸、碱水溶液等。普通机械弹簧一般是在室温或较高工作温度、大气条件下承受载荷。也有用于耐蚀、承受高应力等各种特殊用途的弹簧。工作持续时间也是一个值得考虑的重要因素。

▲气门弹簧是要求最严苛的弹簧之一

弹簧的载荷特性由弹簧变形时的载荷（P或T）与变形（F或）之间的关系曲线表示。常用的有种三类型：直线型、渐增型、不重合型。各类弹簧的载荷特性见表2。

▼表2?各类弹簧的载荷特性

弹簧载荷有动载荷（振动、扭转、弯曲等）和静载荷，有些重要弹簧承受复杂的交变载荷。应力状态是弹簧设计、选材及热处理的一个极其重要的参数。在外力作用下，弹簧材料内部往往产生不同的应力：如弯曲应力、扭转应力（切应力），或弯曲-扭转复合应力等。典型弹簧的应力状态见表3。

▼表3?弹簧的应力状态举例

2.2?弹簧的失效方式

由于弹簧服役条件的复杂性和苛刻性，其失效方式也多种多样，但最主要的是“断裂失效”和“应力松弛(变形)失效”两大类。在断裂失效中又可分为脆性断裂和塑性断裂，其中突发性的脆性断裂危害性最大。在断裂失效中还有疲劳断裂、应力腐蚀断裂及腐蚀疲劳断裂。此外，还有氢脆、镉脆及黑脆等。其中疲劳断裂约占弹簧断裂失效的80%-90%。在生产实践中可依据弹簧断口特征来判断其断裂方式，可根据弹簧的受力条件找出其断裂源，分析其裂纹的扩展速率。应力松弛(变形)失效是弹簧工作过程中普遍存在的现象，一般不被重视，而它对那些执行控制的元件，则是影响产品效率、灵敏度及可靠性的关键性零件。弹簧的早期失效造成直接和间接的经济损失巨大。所以，弹簧的失效分析和预防是一项重要的技术任务。典型弹簧的失效方式见表4。

▼表4?弹簧的典型失效方式、特征及危害性

弹簧失效的原因比较复杂，除了与设计、成形加工质量、安装和使用是否正确等有关外，弹簧材料好坏和热处理质量优劣是影响产品的关键因素。

3?对弹簧的性能要求

弹簧性能好坏应包括弹簧材料、几何形状、尺寸精度和表面质量等内容，这其中，对弹簧性能的要求是重点。具体如下：

3.1力学性能

由于弹簧是在弹性范围内工作，不允许产生永久变形。弹性好坏可用应变能或称弹性比功（U）表示。用公式如下：

σe2????????????τe2

U∝?——?或??U′∝??——

E??????????G

即弹性比功与材料弹性极限（σe或?τe）的平方成正比，与材料的弹性模量（E）成反比。要求弹性应变能大，也就是要求材料的弹性极限、屈服极限和屈强比要高。弹簧材料和热处理工艺对这些性能影响很大。另一方面，许多重要弹簧是在交变载荷条件下长期工作的，要求弹簧有很高的疲劳强度，同时要求有良好的抗应力松性能，减少水久变形，以便保证机电产品效率的正常发挥和仪表的工作灵敏性及可靠性。因为应力松弛过程就是弹簧长期在室温或较高温度下工作、材料内部的微塑性变形逐渐转变为永久变形的必然结果。为了提高弹簧的使用寿命，对材料的冶金质量有很高要求。例如：要求弹簧材料表面不应有裂纹或类裂纹、凹坑、刻痕等弊病，在弹簧加工过程中更不应产生上述缺陷，