弹簧应力松弛的试验研究
蠕变应力松弛
蠕变定义：蠕变是在应力影响下，固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。
它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。
这种变形的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力有关。
取决于加载应力和它的持续时间和环境温度，这种变形可能变得很大，以至于一些部件可能不再发挥它的作用。
阶段过程：1初步蠕变，形变率相对较大，但是随着应变的增加减慢。
2稳态蠕变，形变率达到一个最小值并接近常数，“蠕变应变率”就是指这一阶段的应变率。
3颈缩现象，应变率随着应变增大指数性的增长。
晶体蠕变（考虑金属）公式： Q m kTb d C e dt d εσ-=其中：ε是蠕变应变，C 是一个依赖于材料和特别蠕变机制的常数，m 和b 是依赖于蠕变机制的指数，Q 是蠕变机制的激活能，σ是加载应力，d 是材料的晶粒尺寸，k 是波尔兹曼常数，T 是绝对温度。
位错蠕变在相对于剪切模量的高应力条件下，蠕变是一个受位错控制的运动。
当应力加载在材料上时，由于滑移面中的位错移动而塑性变形发生。
位错蠕变中，self diffusion Q Q -=，46m =，0b =。
因此位错蠕变强烈依赖于加载应力而不依赖于晶粒尺寸。
引入初始应力0σ，低于初始应力时无法测量。
这样，方程就写成0()Q m kT d C e dtεσσ-=-。
Nabarro-Herring 蠕变在N-H 蠕变中，原子通过晶格扩散，造成晶粒沿着应力轴伸长。
k 和原子通过晶格的扩散系数有关，self diffusion Q Q -=，1m =，2b =。
因此N-H 蠕变是一种弱应力依赖、中等晶粒尺寸依赖的蠕变，它的蠕变形变率随着晶粒尺寸增长而降低。
故公式变化成：2Q kT d C e dt dεσ-= 上图是相关文献中的表格，按蠕变机理不一样确定指数m （在表中是n ），以及常见金属对应的激活能。
注意：金属蠕变在受力元件温度超过0.3T α（T α是熔点温度）时才开始显现出来，把常见金属熔点温度列出来。
211148682_弹簧应力松弛载荷的在线测量新方法
第20卷第4期装备环境工程2023年4月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·79·弹簧应力松弛载荷的在线测量新方法苏懿1，王心雨1，冉渭1，王梦嘉1，宋凯强2，贺毅1（1.西华大学 材料科学与工程学院，成都 610039；2.西南技术工程研究所，重庆 400039）摘要：目的准确高效地测量弹簧在应力松弛试验过程中的载荷。
方法针对周期试验法中繁琐的拆装工作和连续试验法中测试效率偏低的难点问题，以周期试验法中可以让“弹簧的总形变量在短时间内发生变化”的事实为依据，通过驱使待测弹簧进一步发生少量变形，将待测弹簧承受的准不变载荷转换为缓冲弹簧的连续变化载荷进行测量。
测量后分别对直线进行拟合，便可求得驱动力F0，进而可以计算出待测弹簧处于装夹状态时所承受的载荷。
结果得到了一种在应力松弛过程中测量弹簧载荷的新方法，并结合螺旋压缩弹簧的结构特点，介绍了该方法的2种实现方式。
当置信度为0.95时，测试结果的置信区间在±2%内，说明测量结果具有较高的可信度。
结论实践应用表明，在周期试验法中，采用该方法能够避免繁琐的拆装过程，有利于降低人为误差；在连续试验法中，采用该方法可以提高测试效率，从而有效地解决应力松弛试验中的载荷测试难题。
关键词：弹簧；应力松弛；在线测量；周期试验法；连续试验法；测试效率中图分类号：TH135 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)04-0079-07DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.04.011New Method for On-line Measurement of Spring Load during Stress Relaxation SU Yi1, WANG Xin-yu1, RAN Wei1, WANG Meng-jia1, SONG Kai-qiang2, HE Yi1(1. School of Materials Science and Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)ABSTRACT: The work aims to accurately and efficiently measure the spring load during the stress relaxation. In view of the tedious disassembly work in periodic test method and the low efficiency in continuous test method, and based on the fact that the "total shape variable of the spring can be changed in a short time" in the periodic test method, the spring to be measured was driven to further have a small amount of deformation, so the quasi invariant load of the spring to be measured was converted into the continuous variable load of the buffer spring for measurement. After the measurement, the driving force F0 could be ob-tained by fitting the straight lines, and then the load of the spring to be measured in the clamping state could be calculated. A收稿日期：2022–06–21；修订日期：2022–08–03Received：2022-06-21；Revised：2022-08-03基金项目：西南技术工程研究所合作基金项目（HDHDW5902020301）Fund：Cooperation Fund Project of Southwest Institute of Technology and Engineering (HDHDW59020301)作者简介：苏懿（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为高性能结构材料。
拉簧应力松弛试验方法
拉簧应力松弛试验方法拉簧应力松弛试验方法为周期作业法和连续测试法周期作业法是将加载的弹簧在一定温度下保温一段时间，卸载后在电子拉力试验机上测量出相应的载荷，绘制出应力松弛曲线。
例如拉伸弹簧的自由高度为H0，当加上初载荷P0时，其高度变为H，利用专用夹具固定其高度H后，放入一定温度的恒温箱（温度波动范围为±1℃）中，保持一定时间t后，卸载，在微型电子拉力试验机上测定高度达到H时对应的载荷Pt，Pt<P0，每隔一定时间测试一次，记录各次的Pt值，即可求出负荷损失率与松弛时间的关系，绘制出弹簧在该温度下的应力松弛曲线。
连续测试法：利用微型电子拉力试验机的加热装置，连续在线测量变形量一定时，某一温度下，弹簧载荷随时间变化的曲线，获得应力松弛曲线。
拉力试验机具有连续自动调节试验力的装置，以便在试验期间保持弹簧的初始高度H恒定。
扭转应力松弛实验扭转应力松驰试验的试样一般为圆柱、圆管或螺旋弹簧，因为这些结构一般处于纯剪的应力状态，从而可以由扭矩与扭角的关系轻易导出切应力和扭角之间的关系式。
AISI/ASTME328—78规定了材料和结构的应力松驰试验标准推荐方法，对试验方案、条件及设备作了具体的要求。
提出了采用包辛格扭转试验法来研究弹簧材料的应力松驰行为。
包辛格试验法的原理是通过测定包辛格角用来表征弹簧及弹性元件的抗应力松驰性能。
角越大，抗应力松驰性能越好。
包辛格试验工序简单，重复性好，精度较高。
实际中往往改用拉压包辛格试。
验法及回线面积法来研究弹簧材料抗应力松驰特性，使之更加接近弹性构件真实验法及回线面积法来研究弹簧材料抗应力松驰特性，使之更加接近弹性构件真实的应力状态。
扭转应力松弛试验的试样一般为圆柱状或圆管，其最小长径比为20，其弯曲变形不应超过规定扭转应变的1%的应力状态。
扭转应力松弛试验的试样一般为圆柱状或圆管，其最小长径比为20，其弯曲变形不应超过规定扭转应变的1%。
螺旋压缩弹簧应力松弛试验法螺旋压缩弹簧的受力和其他弹簧相比更复杂，受到弯曲负荷以外，其他主要还承受扭转负荷。
蠕变及应力松弛试验
• 当试样发生应力松弛时，弹簧片逐渐回复原状，利 用差动变压器或应变电阻侧定弹簧片的回复形变， 然后换算成应力，即可测出高聚物试样的应力松弛 情况。
• CD 段，称为黏性流变，这是由于分子链之间产生了相 对滑动引起的形变，这种形变是会随时间无限发展的， 并且是不可逆形变。 • DE 段，为永久形变，由于黏性流动的不可逆形变造成 的。
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高分子材料分析与性能测试
蠕变的结果表示
• 蠕变应力：试样在加载后单位横截面上所承受的力
• 蠕变应变：试样在承受外力后单位长度的形变 • 蠕变模量：把蠕变应力与蟠变应变之比 • 在规定的温度和湿度下，在规定的时间内导致试验达 到规定的形变（应变）或导致试样断裂的应力称为蠕 变极限强度，用σt来表示。 • 蠕变断裂时间：从加满载荷时起，直至试样断裂时所 经过的时间称为，用τ来表示。
蠕变及应力松弛试验
• 一条已架设的硬聚氯乙烯管线，随着时间的增加它会 弯曲变形；一件经常挂在墙上的雨衣，由于它本身的 自重也会使它沿着悬挂方向变形。这些现象都认为是 材料的蠕变现象。 • 将一条橡皮拉伸到一定长度并使之固定起来，橡皮同 部会产生与所加外力大小相等方向相反的应力（弹 力），这种弹力会随着时间的延长而逐渐减小，慢慢 地松弛下来，这就是应力松弛。 • 蠕变现象是在恒定应力下形变随时间的发展过程； • 应力松弛是在恒定形变下应力随时间的衰减过程。 • 蠕变和应力松弛现象严重，意味着高聚物制品的尺寸 不稳定。
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高分子材料分析与性能测试
应力松弛仪示意图
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高分子材料分析与性能测试
工作原理
• 利用模量比试样的模量大得多的弹簧片，通过弹簧 片的形变来检测高聚物试样被拉伸时的应力松弛。 • 试样臵于恒温箱中，并且同弹簧片相连，当试样被 拉杆拉长时，弹簧片同时向下弯曲，试样拉伸应变 的大小由拉杆调节。 • 拉伸力为弹簧片的弹性力，通过差动变压器或应变 电阻测定弹簧片的形变量来确定。
弹簧的蠕变和松弛
弹簧的蠕变和松弛蠕变和弹簧松弛当弹簧两端施加一定的拉应力(低于弹性极限)时，弹簧会产生一定的伸长量，但随着时间的推移，伸长量会缓慢增加，称为蠕变。
钢丝的蠕变通常由缓慢到加速再到断裂。
常温下钢丝的蠕变不明显，但随着温度的升高会加速。
工程使用弹簧在一定温度下一段时间内产生一定程度的变形。
增加应力以定义蠕变极限。
例如，200002.0s / 10000 = A表示弹簧在200℃下工作1小时，导致0.002%的变形。
需要一个(MPa)的应力。
当弹簧发生一定的变形时，会产生一定的应力，但随着时间的推移，应力会逐渐减小，称为应力松弛。
例如，要用螺栓紧固一个零件，你需要转动螺母使螺栓变长，产生一些弹性变形和相应的压缩应力。
在较高的温度下，经过一段时间，螺栓位置虽然没有改变，但压应力逐渐减小，称为应力松弛。
随着时间的推移，弛豫是由弹性变形的零件转变为塑性变形而引起的。
松弛率:经过一段时间后，应力降低值与原始应力之比为(Ro- rn / Ro) 100%。
残余应力:一般为105几小时后残余应力Rr值越高，材料的抗松弛性能越好。
蠕变和松弛是弹簧稳定性的指标。
其共同的特点是随着温度的升高和时间的延长，性能变得更加明显。
蠕变性能的影响因素有:①钢中气体和夹杂物的含量较低,而蠕变很小。
②粒度:粗晶粒钢具有较高的抗蠕变性。
③合金元素的固溶强化效果:少量的各种合金可以提高抗蠕变性。
④分散降水在第二阶段可以提高抗蠕变性。
松弛是弹性滞后的一种反映。
主要取决于钢的化学成分和微观结构。
当然，即使你了解弹簧在这个产品中的重要作用，如果弹簧的质量不好，影响也会很大。
60Si2Mn钢制弹簧应力松弛行为预测
60Si2Mn钢制弹簧应力松弛行为预测金丹刘兵吕春堂(沈阳化工大学能源与动力工程学院)摘要采用Abaqus针对60Si2Mn钢制弹簧同一应力水平不同温度下的应力松弛结果进行有限元模拟！采用旋转方式建立由弹簧和平板构成的弹簧有限元模型，平板不参与分析0选择切向作用进行接触设置0网格划分结果为：共获得了10=46个C3D8R型弹簧单元，390个R3D4平板单元；应力松弛模拟结果与实验结果吻合较好，随着温度的增加，误差增加；100!温度下，整个应力松弛过程中模拟结果均以一定松弛速率下降，模拟得到的稳定应力值略低于实验值，误差为3.8%,140!和1=0!下，误差分别为4.9%和16.=%!关键词60Si2Mn钢制弹簧应力松弛Abaqus有限元模拟松弛应力中图分类号TQ050.4+1文献标识码A文章编号0254-6094(2020)03-0359-04弹簧作为一种弹性元件在各种机械设备、仪表及电器等中得到了广泛应用，其失效形式通常表现为疲劳断裂和应力松驰。
长期高温下工作的弹簧元件,必须考虑应力松弛对其工作性能的影响⑴。
弹簧种类很多，螺旋弹簧用簧丝卷绕而成,因具有制造简便、价格低以及易于安装等优点而被广泛使用［2］#60Si2Mn弹簧钢在成型过程中尺寸变化很小,基本不存在剩余应力,热稳定性亦优于普通的冷拔强化钢丝，多用于制造机车中的减震弹簧［3］#当前，针对60Si2Mn弹簧钢以及该材料所制弹簧进行了一些研究#张保山和王永平利用疲劳试验机对60Si2Mn螺旋压缩弹簧进行了不同温度和初始应力水平条件下的高温压缩加速应力松弛试验，考察了初始应力水平和环境温度对松弛行为的影响［3］#徐乐等研究了不同热处理形式对65Si2MnW弹簧钢的影响，并进行了不同温度和保温时间的氧化脱碳试验，同时进行了旋转弯曲疲劳试验，并通过断口扫描结果分析了65Si2MnW弹簧钢的疲劳性能及其开裂原因［4］。
刘卫卫针对中温回火态60Si2Mn钢在不同温度下的拉伸性能和蠕变规律进行了研究，并借助光学显微镜、扫描电镜和透射电镜分析了不同热机械载荷作用前后的组织和试样断口形貌［5］#随着计算、数值模拟技术的发展，很多学者使用有限元方法对材料和结构的蠕变/松弛行为进行研究［6/10］#Wang K等通过应力松弛实验和有限元模拟，研究了预变形AA2219的应力松弛老化行为，结果表明，应力促进了时效析出过程，缩短了时效析出强度达到峰值的时间，同时残余应力和屈服强度随初始应力的增大而增大,基于组织演化和时效强化理论,建立了统一的本构模型［6］#赵华等基于硅锰合金弹簧钢扭转应力松弛实验提出了新的动力学方程，并将它嵌入Abaqus,利用Creep子程序修正时间硬化蠕变模型，对400!下的硅锰合金弹簧钢扭转应力松弛行为进行了数值模拟［8］#吴荣华等针对TA32钛合金进行了不同温度、不同初应力和不同预应变下的高温应力松弛实验，基于二次延迟函数得到了高温蠕变本构方程，针对松弛特性进行了有限元模拟［9］#Goyal S等针对2.25Cr-1Mo铁素体钢焊接件进行了823K温度下应力范围为100~ 240MPa的蠕变实验，并采用有限元方法针对IV 型裂纹行为进行了预测［10］#基金项目：国家自然科学基金项目(11102119)；辽宁省自然科学基金项目(201602586)。
微扭簧应力松驰测试与寿命分析
微扭簧应力松驰测试与寿命分析摘要: 本文介绍了扭簧应力松驰现象，并结合实际作了应力对比分析。
关键词: 应力松驰；应力松驰曲线；试验方法；花盘扭簧引言：近年来随着市场经济的深入发展，随着我国越来越多的具有特殊性能及用途要求的新型金属材料研发及产业化，人们越来越关注产品的质量与使用寿命。
质量是一个企业生存和发展的生命，就机械构件普遍使用的弹簧而言，这些因素和扭簧应力松驰现象有着不可分割的关系。
如果在设计、生产、使用时没有全面考虑这个因素，将会产生严重的后果，发生弹簧失效、断裂现象。
一、扭簧应力松驰现象现代工业生产对弹簧材料的要求在不断的提高。
弹簧在实际受载工作时，其工作效率与服役寿命的长短决定于弹簧材料的综合力学性能和材料表面质量。
在弹簧长期受力的过程中要求弹簧具有良好的导电性、高的耐蚀性、耐热性、非磁性等，最为关键的是弹簧应具备良好的抗疲劳断裂、损伤及抗松弛能力。
应力松弛是普遍存在的现象，存在于各类材料制作的机械零部件，精密仪器，弹性元件，结构器件等中，是其主要失效模式之一。
这些现象在日常生活中很常见，严重者将造成不可估量的严重后果。
应力松驰是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转变为非弹性变形，而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。
实际中松弛时，材料的总变形量保持不变，随着时间的延长，材料的塑性变形不断取代弹性变形，从而使弹性应力不断下降。
而蠕变时，材料的总应力保持不变，而总变形量和塑性变形均随时间延长而增加。
本文就这两种影响弹簧使用寿命的现象预以分析。
二、应力松驰曲线应力松弛的本质上是材料在应力作用下产生微塑性变形，并且逐渐积累，在保持应变或者位移不变的前提下，表现为应力随时间延续而减小的现象。
总的来讲，应力松弛是应力关于时间的函数关系，是弹簧材料随着外界负载的时间延续，材料内部位错和亚结构的变化，导致弹簧材料产生的微塑性变形量不断积累，形成可观的残留变形，最后发展为永久变形。
汽车弹簧钢松弛抗力试验方法
6.1 试验系统
可以进行拉压试验的材料试验系统，应能完整记录加载和卸载过程的应力 - 应变曲线。测力传 感器与试样间的距离应尽量小，以减小测量传感器所受的弯曲载荷。试验系统的机架应具有足够高 的刚度，保证试验过程中不会影响应变的测量。
6.2 引伸计
松弛抗力试验需要的引伸计应具备足够的分辨率，以保证在整个试验过程中记录足够的试验数 据，引伸计规格应与试样平行端标距尺寸一致，引伸计和记录设备应具有 0.01 mm 的分辨率或更好。
试验报告格式可自行设计，应包括以下主要内容： a）试验方法； b）试验材料的牌号、规格和状态； c）试样几何形状及尺寸； d）试样热处理工艺； e）试验加载方式及加载速度； f）载荷 - 位移或应力 - 应变曲线； g）正向预应变总耗能 EP 及 E′P、松弛强度 ETT、包辛格应变 β、包辛格效应能 ES、平均包辛格 应变 ABS、包辛格效应能量参数 BEEP； h）试验日期。
8.2.1 正向加载总耗能 E′P
正向加载总耗能 E′P 可以通过正向预应变加载的应力 - 应变曲线计算获得，E′P 可表征为单位体 积的预应变加载总耗能，如图 4 a）中曲线包围面积为 E′P 值，通过各数据点离散叠加可以求得，单 位为 MPa·%。通过与 8.1.1 中的 EP 值进行比较，考察样品重复性试验数据稳定性。
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8.2.4 平均包辛格应变 ABS
T/CSAE ××-××××
平均包辛格应变按照公式 ABS=ES /σp 计算获得。 8.2.5 包辛格效应能量参数 BEEP
包辛格效应能量参数按照公式 BEEP=ES /E′P 计算获得。 9 试验报告