(2) 弹性模量温度系数
反映弹性温度效应的指标还有弹性模量温度系数和频率温度系数。碳素弹簧钢和合金弹簧钢温度系数比较大，实际使用中很少用到这一概念。对于制作仪器仪表用弹性敏感元件的弹性合金丝来说，弹性模量温度系数和频率温度系数是两项非常重要指标。
大多数金属和合金的弹性模量E和切变弹性模量G是随着温度升高而下降的，这种变化被称为弹性模量-温度关系的正常变化。可以分别用βE和βG来表示E和G的弹性模量温度系数，弹性合金标准经常用到某一温度区间的弹性模量温度系数，其定义为：
βE=βG=
?E E(t2?t1)?G G(t2?t1)-6
-6
式中：βE—弹性模量温度系数，10×/℃ βG—切变弹性模量温度系数，×10/℃ t1、t2—温度，℃ 。
金属和合金的弹性模量温度系数与线膨胀系数(?)一样，是与原子间距变化密切相关的物理量，两者之间的比值是一个常数，即???m。一般金属和合金（部分铁磁性合金除外）的m大约在(40～
?E42)×10左右，所以在温度变化范围不太大时，可以按?值近似地估算出βE的值。因为G=
-3
E，2(1??)?是随着温度升高而增加的，βG值一般小于βE值。
(3) 频率温度系数
用弹性材料制作的一些弹性元件，如滤波振子和音叉等，工作时要用到频率温度系数这项性能，频率温度系数是衡量材料的共振频率随温度变化状况的物理量，常用?f来表示。弹性材料的共振频率与弹性模量之间有如下关系：
3l E=k4fr2 d 式中：E—弹性模量
fr—共振频率
l—弹性试样长度 d—弹性试样直径
k—常数
由上式可以导出频率温度系数与弹性模量温度系数之间的关系： 弯曲振动时的频率温度系数：?f? 扭振动时的频率温度系数：?f?(4)铁磁性金属和合金的弹性反常变化
一般金属和合金的弹性模量和共振频率是随温度上升而降低的(βE＜0＝，而纯镍和部分Fe-Ni，
???E
2 式中：?—线膨胀系数
???G2Fe-Cr-Co合金在室温附近的弹性模量变化很小(βE≈0)，甚至增大(βE＞0)，这种现象被称为弹性反常变化。弹性反常变化原因是：在一定的温度范围内，材料内部组织结构发生了额外的尺寸或体积变化，如相变、有序无序转变和铁磁性能变化等。恒弹性合金正是利用铁磁合金弹性反常变化规律研制出来的一类弹性材料。 弹簧钢丝工艺性能指标
弹簧绕制过程中钢丝承受弯曲、扭转和缠绕三种力，与此对应成品钢丝需进行弯曲、扭转和缠绕三项试验。
(1）弯曲试验
弯曲试验方法有了两种：单次弯曲和反复弯曲。
单次弯曲适用于直径较大的钢丝（Φ>6.0mm），试样沿r=10mm的圆弧向不同方向弯曲90，钢丝不得有裂纹和折断。
反复弯曲试验是将试样一端夹紧，沿着规定半径的圆柱形表面弯曲90，然后向相反方向反复弯曲，直至断裂，记下反复弯曲次数（Nb）。钢丝弯曲次数和弯曲半径（圆柱半径）密切相关，弯曲半径增大，弯曲次数显着提高。GB/T238-2002《金属材料 线材 反复弯曲试验方法》规定，不同规格钢丝弯曲圆弧半径如表4。
表4 钢丝弯曲试验的弯曲半径、距离和孔径
钢丝直径mm ～ ＞～ ＞～ ＞～ ＞～ ＞～ ＞～ ＞～ ＞～ ＞～ 弯曲圆弧半径r ± ± ± ± ± ± 10± 15± 20± 25± 拨杆距离h 15 15 15 20 20 25 35 50 75 100 拨杆孔直径dg 和 和 和 和 和 和 o
o
注：应根据线材直径选用合适的拨杆孔直径，保证线材在孔内自由移动。
反复弯曲试验的实质是：检验钢丝在一个平面内进次多次反向弯曲时所能承受的变形能力。钢丝沿弯曲圆柱弯曲时，外层表面会产生一定的延伸变形，其弯曲伸长率(Ab)可用公式表示：
Ab=
d 2r 式中：Ab—弯曲伸长率
d—钢丝直径
检验标准中的弯曲圆柱的半径是按钢丝外层表面弯曲伸长率不超过20%确定的，每一组距钢丝对应一定的圆柱半径。在同一组距中，直径最细的钢丝弯曲伸长率最小(Ab=12%～15%)，弯曲次数最高。随着钢丝直径加大，钢丝弯曲伸长率加大(max20%),弯曲次数均匀下降，一直过渡到下一个较大弯曲圆柱半径为止。同一规格钢丝在不同弯曲半径条件下弯曲次数可以用经验公式来换算：
式中：r1 、r2—弯曲半径
Nb1 、Nb2—弯曲次数
从公式可以看出，弯曲半径对弯曲次数有决定性的影响，实际检验过程中因弯曲圆柱面不均匀磨损，弯曲半径又很难检定，同一组钢丝在不同部门，不同弯曲机上的检测结果往往有很大误差，所以碳素弹簧钢丝国家标准(GB4357-84)中早己取消了该项检验。
碳素弹簧钢丝弯曲值随抗拉强度提高而增加，而矫直和消除应力退火导致弯曲值下降。 (2)扭转试验
扭转性能是冷拉碳素弹簧钢丝的一项重要的考核指标。扭转试验实质是：沿中心旋转钢丝，使钢丝截面从里到外产生不均匀变形，离中心越远处承受的扭矩越大，当变形应力累加到超过承受能力时，钢丝断裂。如果钢丝截面组织、成分均匀，无缺陷，扭转断口平齐，垂直或近似垂直于轴线；如果截面组织、成分不均匀，有明显缺陷，扭转断口呈不规则的层状或撕裂状。根据扭转变形特征可以看出，扭转次数与钢丝直径密切相关，大规格钢丝截面扭矩差别大，不均匀变形更强烈，能承受的扭转次数偏低；小规格钢丝能承受的扭转次数明显偏高。
通过分析还可以看出：扭转试验主要考核钢丝表面质量和内部应力分布状态。钢丝表面裂纹、边刺、斑疤和折叠会导致扭转次数大幅度下降。内部应力分布不均或钢丝拉拔时冷却不当、润滑不良、模具不好导致钢丝温升过高，产生时效应变都会使扭转性能显着降低。从工艺操作角度分析，增加拉拔道次、小减面率（10%）改修都能改变钢丝内部应力分布状态，提高扭转次数。从组织结构角度分析，加大晶粒度或提高索氏体片的厚度可以提高扭转值，实际操作就是降低铅浴处理的收线速度、提高炉温和铅温。
钢丝的扭转次数可以用以下公式预测：
LNt=d×
?Fe3C6×e
ψ/2
×（ψ-ψFeC）
3
2
式中：Nt——扭转次数预测值；
L——扭转试样长度（mm）； d——钢丝直径（mm）； ψ——变形指数（ψ=2×ln
3
d0d1）；
ψFeC——Fe3C真实变形指数。
从公式中可以看出扭转次数与扭转试样长度（扭距）成正比，与钢丝直径成反比。预测值与实际值约有±12%的偏差。GB/T239-1999《金属线材扭转试验方法》规定产品标准未作特殊说明时，扭转试验标距及每分钟最大扭转次数如表5。
表5 单向扭转试验标距及允许扭转速度
钢丝直径dmm ～＜ ～＜ ～＜ ～ 两夹头间标距L 200d 100d 100d 50d 最大扭转次数r/mm 180 60 30 30 2值得指出的是：碳素弹簧钢丝标准规定的单向扭转次数是指扭距为100d时的次数，实际测量结果需要按扭距比例进行换算。换算时应注意，扭距与扭转次数并不是严格的正比关系，因为随着扭距加
长，钢丝产生局部不均匀变形的可能性加大；另外，尽管钢丝两端施加了一定的拉应力(≤2%Rm),长扭距钢丝产生局部弯曲的可能性也比短扭距要大。一般说来扭距加大1倍，扭转次数略小于2倍次数；扭距缩小1倍，扭转次数略大于1/2倍次数，偏差不超过10%。 (3）缠绕试验
缠绕试验是考察钢丝绕制弹簧是否顺利的最直接的方法。无论冷拉弹簧钢丝还是油淬火回火钢丝均考核缠绕性能。一般说来大规格钢丝（∮＞6.0mm）检测单次弯曲性能，中小规格钢丝（∮≤6.0mm）检测缠绕性能。
缠绕试验现行标准为：GB/T2976-2004《金属材料 线材 缠绕试验方法》，试验方法为：钢在直径为d～3d的芯棒上紧密缠绕3～8圈，不出现裂纹和折断为合格。 3 弹簧钢丝和弹性合金使用特性
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即可使用。中小规格的冷拉钢丝的抗拉强度要略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝变形抗力太大，冷拔时模具损耗也很大，生产困难；另外盘卷状态供货的冷拉钢丝，弹直性差，绕簧时形状不规则，实际使用规格一般不超过8.0mm。油淬火-回火钢丝弹直性好，使用规格可放大到15.0mm。直径15.0mm以上的钢丝大多以轻拉状态供货，加热绕制成弹簧后再进行淬火-回火处理。
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1×10
6
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。
弹簧根据载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10～10次。
一般载荷指设计寿命10～10次，在振动频率300次/min条件下使用的普通弹簧。在许用应力(见见图2)范围内，寿命保证1×10次，载荷应力越低，寿命越长。
图2 冷拉碳素弹簧钢丝(ASTM A227级别Ⅱ)制作压缩和拉伸弹簧时推荐许用应力
6
5
6
3
4
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1×10次，通常为10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～%的碳和～%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处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达300×10/℃)，适用于制造截面较小，工作温度较低的弹簧。
合金弹簧钢一般含~%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显着提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。国内外弹簧钢常用牌号对照如表6。
表6 国内外弹簧钢常用牌号对照表
中 国 GB/T699-1999 GB/T1222-1984 GB/T1298-1986 GB/T5218-1999 GB/T18983-2003 GJB5259-2003 60 65Mn 70 70Mn T8MnA T9A 50CrVA(Cr-VA) Cr-VB(67 CrVA) 55CrSi 55CrMnA 55Si2MnA 60Si2MnA 日 本 JIS G3506-1996 JIS G4801-1984 SWRH62A SWRH67B SWRH72A SWRH72B SWRH82B SUP4 SUP10 美 国 ASTM A510M-1996 ASTM A752M-93 1059 1065 1069 1070 1085 1090 6150 德 国 DIN17222-1979 DIN17223-1990 -6
6
7
C60 CK67 B CK85W 50CrV4 VDCrV SUP12 SUP9 SUP6 SUP7 9254 5155 9255 9260 55CrSi63 55Cr3 55Si7 60SiCr7 高弹性合金3J1（0Cr12Ni36Ti3Al）是奥氏体沉淀硬化型合金，具有高的弹性极限，良好的抗松弛性能，优良的耐蚀性能，无磁，最高使用温度250℃，主要用于制作自动化仪表中的波纹管，螺旋弹簧，压力传感器传送杆等。
恒弹性合金3J53（）的弹性模量高，弹性模量温度系数可以通过热处理调整，在室温条件下，温度系数可以调到接近零的水平（＜×10/℃），弹性后效低（＜%），品质因素高（Q＝10000～15000），加工性能好，可制成形状复杂的弹性元件。主要用于制造声学，电学仪器中的频率发生元件，如机械滤波器的振子、标准频率震荡器，和制造精密灵敏弹性元件，如精密天平的弹簧和膜片，以及钟表游丝等。
钴基弹性合金3J21（1Cr20Ni16Mo7Co40）和3J22（40M）是综合性能优异的弹性合金，具有高的弹性模量，高的弹性极限，极低的弹性后效（%）。经冷加工其抗拉强度Rm高达2950Mpa。同时还具有高的疲劳寿命，高硬度，高耐磨，缺口敏感性低，工作温度高达400～500℃。主要用于制作轴类，张力丝，特种轴承，对弹性敏感性要求高的弹性元件。
-6
弹簧力学性能
