两种高强度弹簧钢的微观组织和疲劳性能之间的关系
两种高强度弹簧钢的微观组织和疲劳性能之间的关系
Jang-Chul Shin a, Sunghak Lee b,, Jae Hwa Ryu c
摘要：这是对两种高强度钢微观组织和疲劳性能的研究,即含钒和铬合金钢和0.84%的碳钢,用于汽车的膜片弹簧。在固定硬度条件下微观结构和拉伸强度是疲劳性能的研究焦点。疲劳试验结果表明，这两种钢的拉伸强度接近相同时(超过1400MPa)它们的疲劳极限是相等的,在高温热处理之后它们的疲劳极限在奥氏体合金钢中呈线性下降。这个结果是基于材料的微观结构参数,如前奥氏体晶粒尺寸、孪生碳化物和马氏体钢板的宽度。合金钢具有较高的拉伸强度，含有少量的碳化物比0.84％碳钢的疲劳性能更好。这些结果表明,弹簧钢的疲劳性能可以被预先估计来自拉伸强度、疲劳极限，而不是硬度。1999农业科技有限公司版权所有。
关键词：高强度弹簧钢；疲劳极限；显微组织；硬度；马氏体
1、介绍
弹簧是一种具有较高弹性应变的弹性材料，用于吸收突然施加的压力，存储弹性能量吸收的压力，或减轻施加影响；汽车离合器膜片是一种平板式弹簧狭缝,和功能连接的动力引擎,轮子或削减它，如图1。汽车的膜片弹簧暴露于重复疲劳周期(超过106个周期)高度的压力下(40%～50%的抗拉强度,因此需要钢具有优良的疲劳性能。大多数隔膜制造商用易于使用的硬度价值评价疲劳性能[1-3]。这是基于冷却、钢化合金钢洛氏硬度值(HRc)45～50, 当硬度是相同的时候。尽管它们的化学成分不同, 但是随着疲劳极限的增大,它们的硬度也增加[1,2]。然而，尽管这两种钢硬度相同，但它们经过高温回火后，微观结构差异很大。此外，同一种钢的疲劳极限，可能受到拉伸性能参数的影响，如前奥氏体晶粒、马氏体、沉淀的大小和形状以及微观力学性能。在评估弹簧钢的疲劳性能时，除了硬度还要考虑微观结构和机械对热处理条件。本研究旨在呈现目前用于汽车膜片弹簧50CrV4和SK5-CSP的钢本质上所需的基本数据，建立相对评估的弹簧钢疲劳性能的操作条件。在室温下固定硬度高循环疲劳试验进行了HR C44～45的条件，这是标准的弹簧钢的目标和结果进行了分析与微观结构，硬度和拉伸性能的重点。
图1一个汽车离合器和膜片示意图
2、实验
在这项研究中使用的材料是冷轧50 CrV4和SK5-CSP钢用于汽车隔膜弹簧。化学成分和制备过程都显示在表格1和2中。50 CrV4是一种添加铬和钒的合金钢；前者提高硬化效果[4]而后者提高沉淀硬化和抗回火能力[5-7]。SK5-CSP是一种碳含量达0.84%的高碳工具钢，但是它没有增加任何合金元素(表1)。为方便起见, 以下50 CrV4钢被称为A-Steel,而SK5-CSP被称作B-Steel。在钢的制备过程中，这两种钢主要分为酸洗、球化、冷轧、表皮光轧,热处理。其中,球化的顺序可能是根据这种钢热轧的厚度而有所不同,最终取决于冷轧硅钢片的厚度。
表1两种弹簧钢的化学成分(wt. %)
钢
碳
硅
锰
磷
硫
铝
铬
钒
铁
A-钢
0.49
0.29
0.82
0.012
0.004
0.031
1.06
0.11
Bal.
B-钢
0.84
0.18
0.44
0.012
0.003
0.002
0.17
—
Bal.
表2两种冷轧弹簧钢的制作过程
钢 制备过程
A-钢
热轧(3.5mm)→酸洗→冷轧(2.5mm)→球化(710°C,15h)→表面光轧(2.43mm)
B-钢
热轧(4.5mm)→酸洗→球化(725°C,13h)→冷轧(2.75mm)→减压退火(710°C,10h)→皮肤通过(2.63mm)
图2. (a)拉伸和(b)疲劳试样几何形状和尺寸(单位：mm)
在奥氏体850°C下，A-钢回火15分钟和B-钢回火5分钟,油淬火、回火在420°C 下持续1小时。为了研究奥氏体温度对疲劳性能的影响,A-钢在850、900、950°C 下奥氏体化15分钟,油淬,然后回火1小时，表面硬度是44～45 HRc(450°C的情况下奥氏体温度为900°C,470°C的情况下为950°C)。详细的热处理条件见表3。
硝酸酒精腐蚀后，用光学显微镜观察微观结构。在200千伏的加速电压下使用透射电子显微镜（TEM）观察微观因素，如马氏体，渗碳体，不溶性合金碳化物，并详细检查碳复型和薄箔的类型和大小。用扫描电子显微镜（SEM）来衡量标本有一个2.5毫米的切口，在液氮中断裂，然后前奥氏体晶粒尺寸大约沿晶面断裂。
平板式的拉伸和疲劳试样从热处理钢加工平行的轧制方向和尺寸如图2(a)和(b)。拉伸和疲劳试验标本的设计，测试和数据分别遵循ASTM-8规格和JISZ2275规格的程序。使用试验机在5mm/min的速度下进行拉伸试验。高循环疲劳试验，压缩和拉伸应力完全重复旋转产生的弯曲（平均应力=0）维持不变。一个日本岛津公司的平面弯曲疲劳试验机，适用于6赫兹的试样上应力。一旦发生故障，弯曲通过限制开关自动停止，从而记录冲程和挠度弯曲周期故障点的数量。
表3两种冷轧弹簧钢的热处理条件
钢奥氏体回火
A-钢850°C,15min→油淬火
420°C,15min→油淬火
950°C,15min→油淬火420°C,1h 450°C,1h 470°C,1h
B-钢850°C,15min→油淬火420°C,1h
3、结果
3.1微观结构
图3中的A和B是两个冷轧钢的热处理前的光学显微照片。两种钢显示典型的铁素体矩阵结构分布球状碳化物球化的结构，但B钢和A钢比具有较大的的碳化物和铁素体晶粒。当它们奥氏体在850°C下淬火,转化成马氏体如图图4 a 和b。几个球状碳化物不溶的B钢奥氏体中有大量的粗球状碳化物（图4B），虽然大部分在一个钢球形碳化物中溶解（图4a）。
在图中 5A和B中，这些淬火结构的TEM照片显示，它们有板条马氏体细碳化物，并可以看出自动回火的形成。双晶变形也观察箭头，双晶变形表示B 钢具有较高的碳含量。图5C是在950°C下一个奥氏体钢淬火的TEM照片。此图显示了几乎相同的板条在850℃奥氏体化的其他A钢的马氏体结构，但包的大小和板条宽度往往较大。
图3.光学显微镜照片（A）A和（B）B钢经过冷轧球化后再用3％硝酸酒精蚀刻表4列出了从晶断裂面测量前奥氏体晶粒的尺寸。在相同温度下奥氏体化, B 钢中的前奥氏体晶粒是A钢的三倍大。这是因为在A钢中合金碳化物含有大量奥氏体化后不溶的钒中断了晶粒的增长，在透射电镜下碳萃取如图6A所示。图6B是不溶合金碳化物的能谱，并证实了钒的大量存在。然而，当A钢奥氏体化
图4.光学显微照片（A）A和（B）B钢在850°C下淬火。注释:B钢中有大量的不溶性球
状碳化物。
温度时，它的晶粒尺寸也明显增加。
在420°C淬火之后，有许多恢复错位的渗碳体沉淀在板条内或板条边界。如图7A和B所示B钢中的渗碳体量是大于A钢。图7C是一个透射电镜显示A钢在950°C下奥氏体化,然后在470°C下回火,从中可以证实，板条宽度和渗碳量随着奥氏体回火温度上升而增加。
3.2 力学性能
表5显示了两个弹簧钢的维氏硬度试验结果。在冷轧状态热处理前,A钢显示比不钢硬度高，因为A钢具有良好的铁素体晶粒和精细的球状碳化物均匀分布的矩阵。然而,B钢淬火后显示硬度较高，这是因为大量的双晶形成,如图5B所示。在420°C回火后，两种钢的硬度呈同一水平降低,因为不溶合金碳化物在A钢中使回火慢下来[5]。当奥氏体化超过850°C时，A钢硬度增加,表明高温回火必须保持硬度值在44～45之间。
表6列出了室温拉伸试验的数据。在冷轧状态下，A钢具有较高的抗拉强度和屈服强度，但比B钢的延伸率低。在回火温度为420°C时,两种钢具备相同的抗拉强度,但B钢的延伸率较高。当奥氏体化温度提高超过850°C，A钢的抗拉强度和屈服强度往往会降低，伸长率随着回火温度上升而提高。通过维持硬度不变来回决定火温度，然而，拉伸强度是不同的。
图5.透射电镜照片显示（A）和（B）钢在850℃下淬火，显示板条马氏体基体和双晶形成（箭头标记）。（C）是A钢950°C下淬火的透射电镜照片
图6.透射电镜照片(A)是A 钢在850℃下淬火，显示出不溶性合金碳化物颗粒的碳萃取。照片（B ）是用一个用箭头表示，在（A ）粒子中的能谱。
表4前奥氏体晶粒尺寸
钢种 奥氏体温度(°C)
前奥氏体晶粒尺寸(μm)
A-钢
850 900 950
6.5
±0.7 11.6±1.8 15.6±2.9 B-钢
850
20.4±3.4
3.3 疲劳性能
图8显示两种弹簧钢在850°C 下奥氏体化和420°C 下回火的SN 曲线。疲劳极限是指发生疲劳断裂的最小应力水平，这两种钢约670MPa ，A 钢的疲劳强度高于B 钢。表7所示保持恒定的硬度时，两种钢在不同热处理条件下的疲劳极限。随着奥氏体化温度的升高，两种钢的疲劳极限急剧的降低，当奥氏体化温度提高到950°C 时，两种钢的疲劳极限降低到约570MPa 。
图7.透射电镜照片显示（A）A钢和（B）B钢在850℃下淬火和420°C下回火，呈现出恢复交错的渗碳体沉淀物。（C）是A钢在950℃下淬火后在470°C下回火的透射电镜照片。
在一定的压力下，失效周期数（NF）是裂纹产生周期（Ni）和裂纹扩展周期（NP）的总和。如图9，在980MPa的高压力下,观察裂纹萌生和裂纹扩展点的发展情况,因此测量,并将结果用图表表示。虽然两种钢的裂纹萌生点相同，但是A钢失效的疲劳周期比B钢多出两倍。它能被发现,高度的压力下,裂纹扩展周期比裂纹萌生更容易影响其疲劳寿命[8]。在裂纹增长的最后阶段，其速度是非常快的，细粒度A钢的裂纹增长率预计比粗粒B钢的慢，因为裂缝增长率是取决于断裂韧性[9] 细晶组织高于粗粒组织[10]。
图10 A和B是压力行程曲线和在疲劳循环曲线。循环软化不是在低应力呈现两种钢。随着压力的升高，发生循环软化。这是一致的报告，软化现象只出现在钢的抗拉强度与屈服强度之比低于1.2时[11]。这个循环软化效果主要发生在一个沉重的负荷是应用于熄灭钢和老练,因为重排许多混乱,在钢在主持由于反复压力[12]。沉淀也起到延缓混乱重排的作用[13]。因此，由于混乱恢复期间回火作用，
在B钢中发生循环软化比A钢更轻微，B钢比A钢具有更高的拉伸强度与屈服
强度的比率，即1.16。
表5硬度测试数据(载重:10kg)
钢种
奥氏体
温度(°C)
回火
温度(°C)
维氏硬度计
硬度(VHN)
A-钢_
850
850
900
900
950
950
_
_
420
_
450
_
470
200
661
458
680
449
716
450
B-钢_
850
850
_
_
420
187
819
454
表6室温拉伸试验数据
钢
奥氏体
温度(°C)
回火
温度(°C)
屈服
强度(MPa)
拉伸
强度(MPa)
伸长
(MPa)
A-钢_
850
900
950
_
420
450
470
515
1362
1284
1245
628
1460
1382
1343
20.2
6.5
6.9
7.3
B-钢_
850
_
420
341
1264
541
1470
27.0
9.1
图8.两种弹簧钢在850°C下淬火和在420°C下回火的SN曲线,显示相同的疲劳极限
图9.两种钢在850°C淬火和在420°C回火的应力与疲劳循环
4、讨论
弹簧钢的疲劳超过105次失效属于高周疲劳类。Grovre[14]报道, 疲劳极限随着抗拉强度增加而增加。根据他们的报告，抗拉强度低于1400MPa时，疲劳极限范围是40％到60％。当抗拉强度是超过1400MPa，疲劳极限是恒定的，在大约700MPa时，拉伸强度和疲劳极限之间的关联降低。在强度极高的情况下，不
论强度如何增加，疲劳极限都是恒定的，是因为裂缝的高灵敏度使裂缝容易发展
成断裂[2]。如图8所示，当在850℃奥氏体和420℃回火时，抗拉强度超过1400 MPa，两种钢的疲劳极限大约是670 MPa，结果Grovre的报道相应[14]。在A钢在较高的温度下奥氏体化和回火，拉伸强度低于1400 MPa，疲劳极限随着拉伸强度而下降，（表7）。因此，考虑到标本表面硬度固定在44～45 HR C，评估弹簧钢的疲劳性能时拉伸强度比硬度更重要。如果抗拉强度超过1400 MPa，疲劳极限恒定在700 MPa左右，抗拉强度低于1400 MPa时，疲劳极限呈线性降低。
表7两种冷轧弹簧钢的疲劳极限
钢种
奥氏体
温度(°C)
回火
温度(°C)
疲劳极限
(MPa)
A-钢850
900
950 420
450
470
670
618
569
B-钢850 420 670
在图8中可以看到，合金元素含量高的A钢有较长的疲劳寿命。这是因为微观结构的不同，尽管它们的硬度和抗拉强度水平相近。球化过程中形成的球状碳化物大多溶解，不溶精细含钒合金碳化物的奥氏体晶粒尺寸非常精细，极大地促进钢结构强度。相反，在B钢中0.84％C碳素钢相对粗大的碳化物大量形成，他们不能完全溶解，随后经过奥氏体化和回火，形成结构的剩余部分。这些球状碳化物可以同时覆盖一个裂纹萌生的缺口和一个中断裂纹扩展的洞。可以发现，B钢奥氏体化仅五分钟，，板条马氏体而不是平板式马氏体不完全溶解，产生球形碳化物，从而形成矩阵中的碳含量降低。因此，B钢的奥氏体晶粒及马氏体板条是大于A钢，由于碳含量高，形成更多双晶和渗碳体。尽管它们的硬度和强度相同，但是微观结构会有明显的不同，从而导致疲劳性能不同。疲劳裂纹的萌生的主要地点是球形的碳化物或渗碳碳化物，而不是马氏体基体，因为它们又硬又脆甚至在低应力下容易断裂。B钢的碳化物和A钢比具有较高的体积分数，表明B钢裂纹萌生直接影响了其疲劳寿命。因此，如图9所示，B钢比A钢疲劳寿命短，因为B钢疲劳裂纹萌生和扩展的更快，有更多的渗碳和较大的奥氏体晶粒和板条宽度。A钢有少量的碳化物精细结构，因此需要相当多裂纹萌生失效的周期。
簧钢疲劳性能依赖机械和微观结构参数。整体分析这些因素，可以发现相同的硬度和强度下，含较低的碳化物量和更精细的结构的A钢整体显示了更好的抗疲劳性能。然而，相同硬度条件下，A钢结构变大，并包含更多的碳化物，通过使用较高的奥氏体化合回火温度，裂纹在碳化物中萌生并很容易沿裂缝扩展，将使疲劳性能恶化。因此，拉伸强度比硬度更能合理地估计弹簧钢的疲劳性能。为了提高疲劳性能，优化合金元素和热处理条件，并尽可能均匀地分配精细碳化物。
5、结论
1、A钢含铬和钒合金钢，由板条式回火马氏体基体与一些双晶组成，在回火后不溶合金碳化物析出，而B钢是高碳工具钢，由宽板条、大量的双晶、球状碳化物和渗碳回火马氏体基体组成。B钢有比A钢粗的结构，并有更多的碳化物和双晶。
2、在850℃下奥氏体化后和在420°C下回火，A钢和B钢的拉伸强度超过1400MPa，疲劳极限大约是在670 MPa。然而，疲劳应力越高，A钢显示更长的疲劳寿命。
3、奥氏体化和回火温度增加时，拉伸强度减少到低于1400 MPa，疲劳极限也呈线性下降。相同的硬度条件下，拉伸强度比硬度更能合理地估计弹簧钢的疲劳性能。
图10. A钢和B钢在850℃淬火和在420°C回火的压力与冲程，在疲劳应力水平较高的
循环下软化。
鸣谢
根据合同号957103-1这项工作得到了浦项钢铁公司（浦项制铁）。作者感
谢辜先生的浦项制铁铉。
参考文献
[1] Borik F, Chapman RD, Jominy WE. Trans ASM 1958;50:242.
[2] Garwood MF, Zurburg HH, Erickson MA. Interpretation of tests and correlation with service, ASM, Metals Park, Ohio 1951;12.
[3] Scott H. Trans ASM 1956;48:145.
[4] Thelning K-E. Steel and its heat treatment. 2nd ed. Butterworth and Co., 1984.
[5] Grange RA, Hribal CR, Poter LF. Metall Trans A 1977;8A:1775.
[6] Lewellyn DT. Ironmaking and Steelmaking 1996;23:397.
[7] Ozone T, Kurimoto M, Yamamoto T, Kobayashi R. SAE (Society of Automotive Engineers, Inc.) Paper No. 802129, presented at SAE Congress and Exposition, 1982.
[8] Wareing J, Vaughan HG. Met Sci 1977;11:439.
[9] Suresh S. Fatigue of materials. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1991.
[10] Mravic B, Smith JH. Development of improved high-strength steels for aircraft structural components. AFML-TR-71-213,1971.
[11] Hertzberg RW. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. John Wiley and Sons, 1976.
[12] Plumbridge WJ, Bartlett RA. Int J Fatigue 1982;4:209.
[13] Plumbridge WJ, Knee N. Mater Sci Technol 1985;1:577.
[14] Grovre HJ, Gordon SA, Jackson LR. Fatigue of metals and structures.Bureau of Naval Weapons Document: NAVWEPS 00-25-534, 1960.
弹簧钢的性能介绍
A [常用牌号]：常用合金弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途。常用的合金弹簧钢有60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等。 60Si2Mn钢是应用最广泛的合金弹簧钢，其生产量约为合金弹簧钢产量的80％。它的强度、淬透性、耐回火性都比碳素弹簧钢高，工作温度达250℃，缺点是脱碳倾向较大，适于制造厚度小于10mm 的板簧和截面尺寸小于25mm的螺旋弹簧，在重型机械、铁道车辆、汽车、拖拉机上都有广泛的应用。 30W4Cr2VA是高强度的耐热弹簧，用于500℃以下工作的 [弹簧成型方法]：对直径或板簧厚度大于10 mm的大弹簧，可在比正常淬火温度高出50～80℃的温度热成形，对直径或板簧厚度小于8～10mm的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。 [为保证弹簧具有高的强度和足够的韧性，通50CrVA钢的力学性能与60Si2Mn钢相近，但淬透性更高，钢中Cr和V能提高弹性极限、强度、韧性和耐回火性，常用于制作承受重载荷、工作温度较高及截面尺寸较大的弹簧。锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等。 常采用淬火+中温回火。对热成形弹簧，可采用热成形余热淬火，对热冷成形的弹簧，有时可省去淬火、中温回火工艺，成形后只需进行200～300℃进行去应力退火即可。弹簧钢热处理后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度。 [性能]：硬度为40～48HRC，有较高的弹性极限和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性 弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服点和屈强比（σs/ σb）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有稳定的弹性。 中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。 [化学成分]：合金弹簧钢为中、高碳成分，一般wC=％～％，以满足高弹性、高强度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、 Mn、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Mn容易使晶粒长大。加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火性的作用。
焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施
焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施 自从20世纪初涂药焊条发明至今100年来，焊接已经成为应用最广泛的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，例如造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上，工业发达国家的这一比例已经接近70%。然而焊接结构经常发生断裂事故，其中80%为疲劳失效。在我国，焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现。例如，90年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。 所谓疲劳是指在循环应力和应变作用下，在一处和几处产生局部永久性积累损伤，经一定的循环次数后产生的裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂是金属结构断裂的主要形式之一。大量的统计资料表明，工程结构失效约80%以上是由疲劳引起的。钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。疲劳破坏的主要影响因素是应力幅、循环次数和应力集中。一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构.实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧钢皮
的凹凸、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整，冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。 一、影响焊接疲劳强度的主要因素 1．应力集中对疲劳强度的影响 影响焊接结构几何不连续性的因素，都将影响应力集中和疲劳强度。 (1)焊接结构的几何形状结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中。结构的截而变化幅度越大，产生的应力集中越大，结构的疲芳强度越低。 (2)焊接接头形式在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。这种承力接头中由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截而变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或丁形接头的疲劳强度要低于对接接头。提高丁形或十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝使之圆滑过渡，通过这种改进措施.疲劳强度可有较大幅度的提高。 (3)焊缝局部几何形状的影响焊缝局部几何形状的变化，对焊接结构的疲劳强度将产生十分明显的影响。在一定范围内，余高越大，应力集中系数越大，缺口效应越大，疲劳强度降低。很多人错误的认
弹簧钢丝的标准及用途牌号总结
弹簧钢丝的标准及用途牌号 摘要我国弹簧纲丝标准是参照ISO和JIS制订的，本文以ISO和JIS为依据，分析了弹簧纲丝现行国家标准和行业标准的适用范围，各组别之间隐含的的差别，对弹簧钢丝的生产和使用都有参考价值。 关键词弹簧钢丝、标准、适用范围 弹簧是机械行业和日常生活中最常用的零件，弹簧主要作用是利用自身形变时所储存的能量来缓和机械或零部件的震动和冲击、控制机械或零部件的运动。 1、弹簧钢丝的使用特性和用途 弹簧在弹性范围内使用，卸载后应回复到原来位置，希望塑性变形越小越好，因此钢丝应具有高的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因而越能提高强度利用率，制成的弹簧弹力越强。 弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧成型的塑性，以及足够的能承受冲击能量的韧性。 弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。 在特定环境中使用的弹簧，对钢丝还会有一些特殊要求，例如：在腐蚀介质中使用的弹簧，必须有良好的抗腐蚀性能。精密仪器中使用的弹簧，应具有长期稳定性和灵敏性，温度系数要低，品质因素要高，后效作用要小，弹性模量要恒定。在高温条件下工作的弹簧，要求在高温时仍能保持足够的弹性极限和良好的抗蠕变性能等。 此外，还应考虑弹簧钢丝的成形工艺和热处理工艺。冷拉弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝都以供货状态钢丝直接绕制弹簧，弹簧成形后经消除应力处理直接使用。冷拉弹簧钢丝的抗拉强度要略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝弹力太大，绕制弹簧很困难，所以冷拉弹簧钢丝使用规格一般小于8.0mm，油淬火回火钢丝使用规格一般小于13.0mm。实际上直径13.0mm弹簧多选用轻拉状态弹簧钢丝，冷拉绕制成形后再淬回火使用。直径15.0mm以上钢丝大多采用加热绕制工艺制簧。 弹簧根据运行状态可分为静态簧和动态簧。静态弹簧指服役期振动次数有限的弹簧，如安全阀弹簧，弹簧垫，秤盘弹簧，定载荷弹簧，机械弹簧，手表游丝等。动态弹簧指服役期振动次数达1×106次以上的弹簧，如发动机阀门弹簧，车辆悬挂簧，防震弹簧，联轴器弹簧，电梯缓冲弹簧等。静态弹簧选材时主要考虑抗拉强度和稳定性，动态弹簧选材时主要考虑疲劳，松弛及共振性能。 弹簧根据负荷状况可分为轻载荷、一般载荷和重载荷三种状态。轻载荷指承受静态应力，应力较低，变形量较小的弹簧，如安全装置用弹簧，吸收振动用弹簧等。设计使用寿命103～104次。 一般载荷指设计寿命105～106次，在振动频率300次/min条件下使用的普通弹簧。在许用应力范围内，寿命保证1×106次，载荷应力越低，寿命越长。 重载荷指长时间工作、振动频繁的弹簧。如阀门弹簧，空气锤、压力机、液压控制器弹簧，其载荷较高，常常在低于许用应力10%左右使用，使用寿命大于1×106次，通常为107次。 弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。 碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热
弹簧钢资料
弹簧材料的选择 弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力状态、应力大小、工作温度、环境介质、使用寿命、对导电导磁的要求、工艺性能、材料来源和价格等因素确定。 在确定材料截面形状和尺寸时，应当优先选用国家标准和部颁标准所规定的系列尺寸，尽量避免选用非标准系列规格的材料。 中、小型弹簧，特别是螺旋拉伸弹簧，应当优先用经过强化处理的钢丝，铅浴等温冷拔钢丝和油淬火回火钢丝，具有较高的强度和良好表面质量，疲劳性能高于普通淬火回火钢丝，加工简单，工艺性好，质量稳定。 碳素弹簧钢丝和琴钢丝冷拔后产生较大的剩余应力，加工弹簧后，存在较大的剩余应力，回火后尺寸变化较大，难以控制尺寸精度。油淬火回火钢丝是在钢丝是在钢丝拉拔到规定尺寸后进行调制强化处理，基本上没有剩余应力存在，成型弹簧后经低温回火，尺寸变化很小，耐热稳定性好于冷拔强化钢丝。 大中型弹簧，对于载荷精度和应力较高的应选用冷拔材或冷拔后磨光钢材。对于载荷精度和应力较低的弹簧，可选用热轧钢材。 钢板弹簧一般选用55Si2Mn、60Si2MnA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60CrMn、60CrMnB等牌号的扁钢。 螺旋弹簧的材料截面，应优先选用圆形截面。正方形和矩形截面材料，承受能力较强，抗冲击性能好，又可使弹簧小型化，但材料来源少。且价格较高，除特殊需要外，一般尽量不选用这种材料。近年来，研制用圆钢丝轧扁代替梯形钢丝，取得了很好的效果。 在高温下工作的弹簧材料，要求强度有较好的热稳定性、抗松弛或蠕变能力、抗氧化能力、耐一定介质腐蚀能力。 弹簧的工作温度升高，弹簧材料的弹性模量下降，导致刚度下降，承载能力变小。因此，在高温下工作的弹簧必须了解弹性模量的变化率（值），计算弹簧承载能力下降对使用性能的影响。按照GB1239规定，普通螺旋弹簧工作温度超过60℃时，应对切变模量进行修正，其公式为：Gt=KtG 式中G——常温下的弹性模量；Gt——工作温度t下的切变模量；Kt——温度修正系数按表2—98选取。 在低温下使用的弹簧材料，应具有良好的低温韧性。碳素弹簧钢丝、琴钢丝和 1Cr18Ni9等奥氏体不锈钢弹簧钢丝、铜合金、镍合金有较好的低温韧性和强度。 表2—98 温度修正系数Kt 牌号 工作温度/℃
钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏
钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏 摘要：本文分析了铜结构疲劳破坏及腐蚀破坏的原因，近而提出了提高和改善铜结构构件疲劳及腐蚀的措施， 关键词:钢结构；疲劳；腐蚀；破坏 引言 钢结构相较于混凝土结构具有质量轻、塑性韧性好、易于采用工业化生产等优点，近年来在工民建，铁路，桥梁等结构中被大量采用。然而钢结构在受到交变荷载的作用下极易产生脆性破坏，特别在承受行车动荷载的桥梁结构中此问题更为明显，在一定程度上阻碍了钢结构的发展。鉴于此，本文在分析疲劳破坏及腐蚀破坏原因的基础上重点介绍工程设计预防疲劳破坏及腐蚀破坏的措施，以此来避免此问题的产生。 一，钢结构疲劳破坏 钢结构的疲劳破坏是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开裂以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。此类破坏属脆性破坏。由于在破坏发生前几乎观察不到构件的塑性发展过程。没有破坏的征兆，然而一旦破坏后果严重，所以工程设计的任何一个领域无一例外的都要避免。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材生产和结构制造等过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如钢材化学成分的偏析、非金属杂质；非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹在静荷载下，具有初始裂纹的构件当应力水平达到临界应力时才会出现失稳扩展，导致破坏。而承受交变荷载的构件经历裂纹的缓慢扩展过程最终达到破坏时，破坏应力还远小于静荷载作用时的临界应力。 钢结构疲劳分析时，习惯上当循环次数N<105时称为低周疲劳：N>105时称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特征和实际循环次数超过设计时所采取的参数，就可能发生疲劳破坏。此外影响钢结构疲劳破坏的原因还有：结构构件中有较大应力集中区域：所用钢材的抗疲劳性能差：钢结构构件加工制作时有缺陷其中裂纹缺陷对钢材疲劳强度的影响比较大：钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形对钢材疲劳强度也会产生较大影响。 二，抗疲劳的措施 出疲劳性能的影响因素来看，应力幅及循环次数是客观存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中人手。具体措施如下： 1选材 对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺陷，并选择优质钢材。 2设计措施 (I)力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造做法合理化。 (2)要避免多条焊缝相互交汇而导致高额残余拉应力的情形。尤其是三条在空间相互垂直的焊缝交于一点，造成三轴拉应力的不利状况。对于加劲肋应与受拉翼缘不焊接，且保持一段距离。对于连接横向支撑处的横向加劲肋，可以把横向加劲肋和受拉翼缘顶紧不焊，且将加劲肋切角，保持腹板与加劲肋50～lOOr砌不焊。 三，钢结构腐蚀破坏 普通钢材的抗腐蚀能力比较差，这一直是工程上关注的重要问题。腐蚀使钢结构杆件净截面面积减损，降低结构承载力和可靠度，腐蚀形成的“锈坑”使钢结构脆性破坏的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般来说钢结构下列部位容易发生锈蚀：经常干湿交替又未包混凝
弹簧地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
知识贴 弹簧钢介绍
弹簧钢，顾名思义就是制作弹簧的钢材，用途广泛，我们日常弹簧秤的弹簧，汽车座垫下的弹簧，以及减震器，汽车，三轮摩托的板簧。等等都是弹簧钢。 弹簧钢硬度合适，韧性不错，热处理也比较简单，是很好的做刀的材料。有一些特殊的刀剑（比如腰带剑），必须用弹簧钢制作。 但是弹簧钢的质量也参差不齐，上到日本，德国，美国进口的制作汽车板簧，弹簧的弹簧钢，中到国家著名企业宝钢，马钢，西宁特钢等制作的优质弹簧钢，（其中还分等级）；下到冶炼技术很次的杂牌钢厂回收的废旧钢铁做成的弹簧钢。都很杂乱。 有人一定选择进口车的板簧做刀剑，但是我觉得大方向是对的，但是也有不对的地方。我举个例子：一个好的电视机，重要组成的部件是显像管，主控芯片。如果一个进口的TOSHIBA 中低档电视机，他却采用彩虹，国产三星的显像管，那么还不如一台采用进口松下，日立显像管的海信电视性能质量好（我就亲身遇见过这样的例子）。汽车亦然，但是细化分清楚内部原件的板簧是否优质对我们刀友却是一件困难的事情 弹簧钢分为合金弹簧钢和碳素弹簧钢两类。以下选择百度百科的资料： 1.碳素弹簧钢碳素弹簧钢的碳含量(质量分数)一般在0.62%~0.90%。按照其锰含量又分为一般锰含量(质量分数) (0.50%~0.80%)如65、70、85和较高锰含量(质量分数) (0.90~1.20%)，如65Mn两类。 2.合金弹簧钢合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。 合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒或硼等合金元素。 此外，还从其他钢类，如优质碳素结构钢、碳素工具钢、高速工具钢、不锈钢，选择一些牌号作为弹簧用钢。 1. 65 、70 、85：可得到很高强度、硬度、屈强比，但淬透性小，耐热性不好，承受动载和疲劳载荷的能力低应用非常广泛，但多用于工作温度不高的小型弹簧或不太重要的较大弹簧。如汽车、拖拉机、铁道车辆及一般机械用的弹簧。 65Mn 成分简单，淬透性和综合力学性能、脱碳等工艺性能均比碳钢好，但对过热比较敏感，有回火脆性，淬火易出裂纹价格较低，用量很大。制造各种小截面扁簧、圆簧、发条等，亦可制气门弹簧、弹簧环，减振器和离合器簧片、刹车簧等。 2. 55Si2Mn 、60Si2Mn 、60Si2MnA 硅含量(Wsi)高(上限达2.00%)， 强度高，弹性好。抗回火稳定性好。易脱碳和石墨化。淬透性不高。
常用橡胶材料的特点与使用范围
常用橡胶材料的特点及使用范围 种类与缩写 化学名称 主要特点 主要应用范围 使用温度 范围℃ 天然胶（NR ） 聚异戊二烯 弹性最佳，耐磨耗，机械性能佳； 耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。 胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以 及其他通用制品。特 别适用于制造扭振消 除器、发动机减震器、 机器支座、橡胶－金 属悬挂元件、膜片、 模压制品 －60～＋ 80 合成天然胶（IR ） 由异戊二烯单体聚合而成的一种顺式结构橡胶 具有天然橡胶的大部分优点，耐老化优于天然橡胶，弹性和强力比天然橡胶稍低，加工性能差 可代替天然橡胶制作轮胎、胶鞋、胶管、 胶带以及其他通用制 品。 －50～＋100 苯乙烯橡胶（SBR ） 丁二烯-苯乙烯的共聚物 耐磨耗性比天然橡胶好，抗老化性好； 弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度 低。 以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、 胶鞋及其他通用制 品；可用于乙醇及汽 车刹车油密封，不能 用于矿物油中 －50～＋100 丁二烯橡胶 （BR ） 聚丁二烯 弹性和耐磨性好，耐老化，耐低温，在动态负荷下发热 量小，易于金属粘合。 缺点是强度较低，抗撕裂性 差，加工性能与自粘性差 与天然橡胶相同 －60～＋100 氯丁胶（CR ） 聚氯丁二烯 它具有优良的抗氧、抗臭氧性，不易燃，着火后能自熄，耐油、耐溶剂、耐酸碱以及耐老化、气密性好等优点；其物理机械性能也比天然主要用于制造要求抗臭氧、耐老化性高的电缆护套及各种防护 套、保护罩；耐油、 耐化学腐蚀的胶管、 胶带和化工衬里；耐 －45～＋ 100
弹簧钢
弹簧钢≤东≥≤莞≥≤国≥≤创≥≤金≥≤属≥≤材≥≤料≥≤有≥≤限≥≤公≥≤司≥弹簧钢主要是有好的弹性，又由于它是在动载荷环境条件下工作的，所以对制造弹簧的材质最主要的应有高的屈服强度；在承受重载荷时不引起塑性变形；应有高的疲劳强度，在载荷反复作用下具有长的使用寿命；并有足够的韧性和塑性，以防在冲击力作用下突然脆断。弹簧在冲击、振动或长期交应力下使用，所以要求弹簧钢有高的抗拉强度、弹性极限高的疲劳强度。在工艺上要求弹簧钢有一定的淬透性、不易脱碳、表面质量好等碳素弹簧钢即含碳量WC在0.6%-0.9%范围内的优质碳素结构钢。合金弹簧钢主要是硅锰系钢种，它们的含碳量稍低，主要靠增加硅含量Wsi提高性能；另外还有硌、钨钒的合金弹簧钢。近年来，结合中国资源，并根据汽车、拖拉机设计新技术的要求，研制出在硅锰钢基础上加入硼、铌、钼等元素的新钢种，延长了弹簧的使用寿命，提高了弹簧质量。 弹簧钢的用途：弹簧钢精度高,韧性好,耐磨性好,质量稳定。 主要的弹簧钢类,用途很广,可制造各种中等截面<25mm的重要弹簧,如汽车,拖拉机板簧,螺旋弹簧等60Si2Mn 55Si2MnB 55SiMnVB Cr系50CrVA淬透性优良,回火稳定性高,脱碳与石墨化倾向低；综合力学性能佳,有一定的耐蚀性,含V,Mo,W等元素的弹簧具有一定的耐高温性；由于均为高级优质钢,故疲劳性能进一步改善用于制造载荷大的重型大型尺寸（50~60mm）的重要弹簧,如发动机阀门弹簧,常规武器取弹钩弹簧,弹簧；耐热弹簧,如锅炉安全阀弹簧,喷油嘴弹簧,气缸胀圈等。 弹簧钢钢带产品适用于减振器阀片,离合器膜片弹簧,冷气压缩机阀片,针织机配件,沉降片,哈负片,织针,生克片,各种印刷刮刀,环形带刀等,五金冲压弹片,弹簧,发条,拉伸件,反弹簧高质量要求产品 C45E钢材：●可以淬硬至HRC42~46；所以如果需要表面硬度，又希望发挥钢优越的机械性能，常将表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度，常应用于机械制造 S65C弹簧钢特性●：强度、硬度、弹性和淬透性均比65号钢高，具有水淬有形成裂纹他过热敏感性倾向，退火态可切削性尚好，应用于受中等载荷的板弹簧以及高耐磨性零件，如：磨床主轴、精密机床丝杆、弹簧卡头、切dao、螺旋辊子轴承上的套环、铁道钢轨等应用上 C67S弹簧钢特性●：本产品是一款应用非常广泛的材料，多用于工作温度不高的小型弹簧或不太重要的较大弹簧，例如汽车、铁道车辆拖拉机及一般机械用的弹簧 S70C弹簧钢：适用于制造截面不大、强度要求不高的弹簧，如汽车、拖拉机或火车等机械上承受振动的扁形板簧和圆形螺旋弹簧 sk5-特性：特性及适用范围：淬火回火后有较高硬度和耐磨性,用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种工具,如形状简单的模子和冲头,切削金属的刀具,打眼工具,木工用的铣刀,埋头钻,斧,凿,纵向手用锯,以及钳工装配工具,铆钉冲模等次要工具。 sup6/sup7-特性：●特性及适用范围:sup6/sup7是应用广泛的硅锰弹簧钢,强度,弹性和淬透性较55si2mn稍高。sup6的用途:适于铁道车辆,汽车拖拉机工业上制作承受较大负荷的扁形弹簧或线径在30mm以下的螺旋弹簧,也适于制作工作温度在250 ℃以下非腐蚀介质中的耐热弹簧以及承受交变负荷及在高应力下工作的大型重要卷制弹簧 sk7-特性：●特性及适用范围:sk7是含碳量0.6的高碳钢,淬火硬化后使用,sk7耐磨损性优良,且为价格较便宜的工具钢。适用于有滑动部分需要高硬度的零件及制作冷作模具零件。sk7
高等钢结构--疲劳与断裂
《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分 学生作业 系（所）：建筑工程系 学号：1432055 姓名：焦联洪 培养层次：专业硕士 2014年11月6日
1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施 影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。提高钢材脆性断裂的基本措施有： ①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。 ②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。 ③进行合理细部构件设计，避免应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。 ④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。 ⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。 ⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。 2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标 对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max /σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ?，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。这是因为：焊接及 其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。并且焊接连接部位因为截面的改变原状，总会产生不同程度的应力集中现象。残余应力和应力集中两个因素的同时存在，使疲劳裂纹发生于焊接熔合线的表面缺陷处或焊
弹簧常用材料力学性能、标准及特点
标准号标准名称牌号直径规格(mm)剪切模量 G （MPa ） 推荐硬度HRC 推荐使用温度 ℃ 性 能 25～80 B 级：0.08～13.040Mn ～ 70Mn C 级：0.08～13.0 D 级：0.08～6.0 60～80 G1组：0.08～6.0T8MnA ～T9A G2组：0.08～6.060Mn ～70Mn F 组：2.0～5.0 65Mn 70A 类、B 类 2.0～12.0 A 类、 B 类、 C 类 2.0～14.0 60Si2MnA 65Si2MnWA 70SI2MnA GB/T2271GB/T5218GB/T5219GB/T5220GB/T5221GB/T4357 GB/T4358 GB/T4359GB/T4360GB/T4361GB/T4362弹簧常用材料力学性能、标准及特点 （摘自GB/T1239.6-92） 45～5079000-40～250 高温时强度性能稳定，用于较高温度下的高应力弹簧。 铬硅弹簧钢 丝 55CrSiA 0.8～6.0 高温时强度性能稳定，用于较高温度下的弹簧，如内燃机阀门弹簧等。 阀门用铬钒 弹簧钢丝 50CrVA 0.5～12.07900045～50-40～210 高温时强度性能稳定，用于较高温度下的弹簧，如内燃机阀门弹簧等。 铬钒弹簧钢 丝 50CrVA 0.8～12.0 7900045～50-40～210 有较强的疲劳强度，用于较高工作温度的高应力内燃机阀门弹簧或其他类似弹簧。 硅锰弹簧钢 丝 1.0～1 2.0 7900045～50-40～200 强度高，较好的弹性、易脱碳。用于普通机械的较大弹簧。 阀门用油淬 火回火铬钒弹簧钢丝 50CrVA 1.0～10.0油淬火回火 硅锰弹簧钢丝 60Si2MnA 79000-40～200 79000---40～210 2.0～6.0 79000 强度高，弹性好。易脱碳，用于叫高负荷的弹簧。A 类和B 类用于一般用途的弹簧，B 类和C 类用于汽车悬挂弹簧。 阀门用油淬 火回火铬硅弹簧钢丝55CrSi 1.6～8.079000--40～250 有较强的疲劳强度，用于较高工作温度的高应力内燃机阀门弹簧或其他类似弹簧。 --40～130 强度高，性能好。用于内燃机阀门弹簧或类似用途弹簧。 油淬火回火碳素弹簧钢丝55、60、 60Mn 、65、65Mn 、70、 70Mn 、75、8079000--40～150 强度高，性能好。适用于普通机械用弹簧。B 类比A 类强度高。 阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝 --40～150 强度高，性能好。B 级、C 级和D 级分别用于低、中和高应力弹簧。 琴钢丝 79000 --40～130 强度高，韧性好。用于重要的小弹簧，G2组较G1 组强度高，F 组主要用于阀弹簧。 碳素弹簧钢丝79000
各牌号钢的主要性能和用途
1）.各牌号钢的主要性能和用途 一、各牌号碳素结构钢的主要用途: 1.牌号Q195，含碳量低，强度不高，塑性、韧性、加工性能和焊接性能好。用于轧制薄板和盘条。冷、热轧薄钢板及以其为原板制成的镀锌、镀锡及塑料复合薄钢板大量用用屋面板、装饰板、通用除尘管道、包装容器、铁桶、仪表壳、开关箱、防护罩、火车车厢等。盘条则多冷拔成低碳钢丝或经镀锌制成镀锌低碳钢丝，用于捆绑、张拉固定或用作钢丝网、铆钉等。 2.牌号Q215，强度稍高于Q195钢，用途与Q195大体相同。此外，还大量用作焊接钢管、镀锌焊管、炉撑、地脚螺钉、螺栓、圆钉、木螺钉、冲制铁铰链等五金零件。 3.牌号Q235，含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量用用建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。 4.牌号Q255，性能与Q235差不多，强度稍有提高，塑性有所降低。应用不如Q235广泛，主要用作铆接与检接结构。 5.牌号Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好。用于制造轴类、农业机具、耐磨零件、钢轨接头夹板、垫板、车轮、轧辊等。 二、各牌号低合金高强度结构钢的主要用途： 低合金高强度结构钢旧标准称低合金结构钢，又叫普通低合金结构钢。 1.牌号Q295钢，钢中只含有极少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于建筑结构，工业厂房，低压锅炉，低、中压化工容器，油罐，管道，起重机，拖拉机，车辆及对强度要求不高的一般工程结构。 2.牌号Q345、Q390钢，综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、 D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。 3.牌号Q420钢，强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。主要用于大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械，矿山机械及其他大型焊接结构件。 4.牌号Q460钢，强度最高，在正火，正火加回火或淬火加回火状态有很高的综合力学性能，全部用铝补充脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性的备用钢种。用于各种大型工程结构及要求强度高，载荷大的轻型结构。 三、优质碳素结构钢的特性和用途： 优持碳素结构钢简称碳结钢、俗称优钢。是各种机器的零部件制造用钢。 1. 08和08F钢，用于轧制薄板，深冲制品、油桶、高级搪瓷制品，也可用于制作管子，垫片及心部强度要求不高的渗碳和氰化零件，电焊条等。 2. 10和10F钢，用4mm以下冷压深冲制品，如深冲器皿、炮弹弹体。也可制造锅炉管、油桶顶盖及钢带、钢丝、焊接件、机械零件。 3. 15和15F钢，用于制造机械上的渗碳零件、紧固零件、冲锻模件及不需热处理的低负荷零件，如螺栓、螺钉、法兰盘及化工机械用贮器、蒸汽锅炉等。 4. 20钢，用于不经受很大应力而要求韧性的各种机械零件，如拉杆、轴套、螺钉、起重钩等；也可用于制造在60大气压、450℃以下非腐蚀介质中使用的管子、导管等；还可以用于
各种弹簧钢及应用特征
碳素弹簧钢wc＝0.6％~0.9％，合金弹簧钢wc＝0.45％~0.70％，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。（2）合金元素普通用途的合金弹簧钢一般是低合金钢。主加元素为Si、Mn、Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷、Mn引起的过热缺陷并提高回火稳定性耐热性等。 菏泽护簧厂家用的钢材型号为72B。 1. 65 、70 、85： 可得到很高强度、硬度、屈强比，但淬透性小，耐热性不好，承受动载和疲劳载荷的能力低应用非常广泛，但多用于工作温度不高的小型弹簧或不太重要的较大弹簧。如汽车、拖拉机、铁道车辆及一般机械用的弹簧。 65Mn成分简单，淬透性和综合力学性能、脱碳等工艺性能均比碳钢好，但对过热比较敏感，有回火脆性，淬火易出裂纹价格较低，用量很大。制造各种小截面扁簧、圆簧、发条等，亦可制气门弹簧、弹簧环，减振器和离合器簧片、刹车簧等。 2. 55Si2Mn 、60Si2Mn 、60Si2MnA 硅含量（Wsi）高（上限达2.00%）。 强度高，弹性好。抗回火稳定性好。易脱碳和石墨化。淬透性不高。 主要的弹簧钢类，用途很广。制造各种弹簧，如汽车、机车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧，汽缸安全阀簧及一些在高应力下工作的重要弹簧，磨损严重的弹簧。 55Si2MnB 因含硼，其淬透性明显改善轻型、中型汽车的前后悬挂弹簧、副簧。 55Si2MnB 中国自行研制的钢号，淬透性、综合力学性能、疲劳性能均较60Si2Mn钢好主要制造中、小型汽车的板簧，使用效果好，亦可制其他中等截面尺寸的板簧、螺旋弹簧。 3. 60Si2CrA 60Si2CrVA 高强度弹簧钢。淬透性高，热处理工艺性能好。因强度高，卷制弹簧后应及时处理消除内应力制造载荷大的重要大型弹簧。60Si2CrA可制汽轮机汽封弹簧、调节弹簧、冷凝器支承弹簧、高压水泵碟形弹簧等。60Si2CrVA钢还制作极重要的弹簧，如常规武器取弹钩弹簧、破碎机弹簧。 4. 55CrMnA
65mn弹簧钢
65mn碳素弹簧钢丝 国创65mn碳素钢丝产品知识 碳素钢丝介绍 碳素弹簧钢丝现行国家和行业推荐标准分两种类型： 冷拉弹簧钢丝 一类是冷变形强化钢丝，又称冷拉弹簧钢丝。冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅淬火处理获得索氏体组织，然后表面磷化，以很大减面率拉拔到成品尺寸，钢丝组织呈纤维状，有很高的抗拉强度和弹性极限，良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝尺寸精度高，表面光洁，无氧化和脱碳缺陷，疲劳寿命比较稳定，是使用最广泛的弹簧钢丝。 油淬火回火钢丝 碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝，又称油淬火回火钢丝。碳素钢丝通过淬回火处理，可获得良好的综合力学性能，当钢丝规格较小时（φ≤2.0mm），油淬火回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时（φ≥6.0mm）索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标，而油淬火回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下，马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金相组织呈纤维状，各向异性明显，油淬火回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体，几乎是各向同性的。同时油淬火回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度（150～190℃）也高于冷拉钢丝（≤120℃）。近年来中大规格油淬火、回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。 应用范围及工艺特点 下面按标准介绍各类碳素弹簧钢丝的应用范围及工艺特点。 （1）YB/T5220-93 《非机械弹簧用碳素弹簧钢丝》 该标准适用于沙发垫簧，座垫，靠背拉簧，卡簧，夹簧等非机械弹簧用碳素弹簧钢丝。标准按抗拉强度要求不同将钢丝分成A1，A2，A3…A9九个组别，每个组别钢丝不分规格大小按一个强度范围供货，抗拉强度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3组用于制造较低应力弹簧。A3，A4和A5用于制造一般应力弹簧。A7，A8和A9用于制造较高应力弹簧。床垫簧一般选用A3和A4组别。 从使用状态分析，该标准钢丝基本属于静态簧，成品钢丝仅考核抗拉强度、缠绕和单次弯曲三项性能，详见表3。表3 YB/T5220-93 非机械弹簧用碳素弹簧钢丝说明： ①Φ≤4.0mm钢丝在2d芯棒上缠绕两圈无裂纹或折断。 ②Φ＞4.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿R=10mm圆弧向不同方向弯曲90o，弯曲处不得有裂纹或折断。 A1-A3组钢丝一般选用45～70钢，A3～A6组选用65Mn或70钢，A7～A9组钢丝选用70或T8MnA（82B）生产。由于按该标准供货的钢丝基本用于制作静态弹簧，对疲劳寿命的要求相对宽松，钢丝可以采用控轧控冷盘条直接拉拔成品。钢丝成前热处理也可以用正火代替铅浴处理。同时允许选用转炉镇静钢作为原料。 (2)GB/T4357-89 《碳素弹簧钢丝》 该标准是冷拉碳素弹簧钢丝的通用标准，主要用于制作在各种应力状态下工作的静态弹簧。根据弹簧工作应力状态钢丝可分三个级别供货：B级用于低应力弹簧，C级用于中等
不同钢结构疲劳强度分析
不同钢结构疲劳强度分析 发表时间：2017-08-31T10:20:36.993Z 来源：《电力设备》2017年第12期作者：孙晓丽赵娜马连凤李晓莉刘谆 [导读] 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能 （中车永济电机有限公司） 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同。 关键词：疲劳强度；屈服极限；疲劳寿命 1 、概述 钢材的生产工艺与构件的加工工艺是推动钢结构发展的重要因素，钢材力学性能的提高，能够提升钢结构构件的受力性能、安全性能以及钢结构整体的使用功能；同时，实际应用的不断创新也会促进钢结构的发展，这就对钢材的力学性能提出了新的要求，特别是要求结构材料应具有更高的强度。在这一背景之下，采用新的生产冶金工艺开发出了新型高强度结构钢材，先进的加工工艺特别是焊接技术以及与高强度钢材相匹配的焊接材料也陆续出现，高强度结构钢材具备了应用于实际电器柜的基本条件。本文的研究对象主要针对强度等级在420MPa 及以上的新型高强度结构钢材中厚板材（即板厚<40mm）构件。 2、疲劳的定义及特征 疲劳破坏是指材料或结构在循环交变应力或者循环交变应变的作用下,由于某点或某些点所在的部位发生局部永久性结构变化,在经历一定的循环次数后形成裂纹并最后发生断裂的现象,即在交变载荷重复作用下材料或者结构的结构破坏现象。经过人们长期的经验积累和对疲劳破坏事故的认真考察,疲劳破坏的显著特征己初步为人们所掌握,这些特征使疲劳破坏与传统的静力破坏、腐蚀破坏以及其他破坏形式相区别,给人们对事故的分析带来方便。具体的特征包括:长期性、非屈服性、难以预测性、局部性、影响因素多样性、端口形貌特殊性。 疲劳破坏的过程大致就可以描述为以下的“恶性循环阶段”: 应力集中一一争疲劳裂纹出现一一争裂纹尖端新的应力集中一一卜裂纹扩展一一卜构件发生 断裂。 3、影响结构疲劳强度的因素 构件在某一循环载荷下工作时,构件应力值的大小为一般用S来表示。当构件的应力水平S低于某一个应力限度值的时候,如果构件可以在该应力水平作用下承受无限次循环而不发生疲劳破坏,则该应力限度值为材料或者构件的“疲劳极限”。疲劳失效之前机械零部件所经历的应力或者应变循环次数称为“疲劳寿命”,一般用N表示,前面所提到的“韦勒曲线”或者“疲劳曲线”是表示应力幅Sa或者最大应力Sma、与疲劳寿命N之间关系的一种表达方式。一般我们从标准或者书上所查到的一些材料的疲劳极限和S一N曲线,只能代表标准光滑试样的疲劳性能,称之为“中值S一曲线”。但实际零部件的尺寸、形状和表面情况等是多样的,与标准试件存在一定程度上的差别,所以实际构件的疲劳强度、疲劳寿命与标准试样之间也存在一定的差距。 影响结构疲劳强度的因素主要有:形状,尺寸,表面状况,平均应力,腐蚀介质和温度等等,本节主要介绍与本论文相关的因素即形状、尺寸、表面加工方法对材料疲劳强度的影响。 4、理论计算 在钢结构梁的设计中要让力有很好的传导闭合性，就要充分的发挥每个梁的支撑作用。对4mm和6mm钢板的截面模量计算如下： 对安装梁截面模量计算如下： 4mm钢板 6mm钢板 4mm内部加6mm钢板 通过计算4mm钢板对于x-x抗弯截面模量Wx=4.0612cm3 6mm钢板对于x-x的抗弯截面模量Wx=5.8505cm3 4mm内部增加两块6mm钢板后对于x-x的抗弯截面模量Wx=4.0612+1.681*2=7.4232cm3 根据最大弯曲正应力的计算公式：σmax=M/WX 可见，最大弯曲正应力与弯矩成M正比，与抗弯截面模量Wx成反比，当M不变时，Wx越大，所受的最大弯曲正应力越小，根据以上3种情况可以看出，第3种的抗弯截面模量Wx为7.4232cm3，较第1种增加了将近1倍。 5、实验分析 运用计算机分析软件ANSYS分别对4mm钢板折弯，6mm钢板折弯，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板， 5mmQ235A槽钢进行了最大
常见弹簧钢特性及用途
常见弹簧钢的特性和用途 55Si2Mn --特性：强度大、弹性极限好，屈服比值高，热处置惩罚后韧性较好，焊接性差，冷变形塑性低，切削性尚好，淬透性较65、65Mn钢高，临界淬透直径：油中约为25~57mm；水中约为44~88mm；此钢宜油淬、水淬时有形成裂纹偏向，无回火脆性偏向，且具有抗回火不变和抗松弛不变性；钢中夹杂物较高，轧制较困难，表面易出疵病，脱碳偏向大；适宜在淬火并中温回火状态下使用。用途：适用于制造铁道车辆、汽车、拖拉机等承受中常载荷的扁形弹簧、直径<25mm 的螺旋形弹簧、缓和冲突弹簧以及汽缸安全阀门等高应力下工作的重要弹簧。 55Si2MnB --特性：性能与55Si2Mn钢相近，但淬透性更高，在油中临界淬透直径约为 90~180mm，疲劳强度也显著提高。用途：适用于制造中、小型截面的钢板弹簧，如汽车上的前后副钢板弹簧。 55SiMnVB --特性：强度、韧及塑性及淬透性均比60Si2MnA钢高，油中临界淬透直径约为50~107mm；热加工性能良好，热处置惩罚时表面脱碳偏向小，回火不变性好。用途：适用于制造中型截面尺寸的板弹簧和螺旋形弹簧，可取代60SiMnA钢使用。 60SiMn、60Si2MnA --与55Si2Mn钢相比，强度和弹性极限均稍高（其中60Si2MnA钢更好），淬透直性也较好，在油中临界淬透直约为37~73mm，其他性能相同；主要使用状态为淬火并中温回火下使用。用途：此钢应用广泛，适用于制造铁道车辆、汽车、拖拉机等工业上制造承受较大载荷的扁弹簧或直径≤30mm的螺旋形弹簧，如汽车、火车车箱下部承受应力和振荡用板弹簧、安全阀和止回阀上弹簧以及工作温度<250℃非腐化性介质中的耐热弹簧；用于承受交变载荷和高应力下工作的大型重要卷制弹簧和承受剧烈磨耗的机械零件。