配合不同温度的回火热处理，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性

　　弹簧进行淬火炉淬火热处理工艺的目的是使过冷奥氏体进行组织转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后再配合不同温度的回火热处理，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和五金工具的不同使用要求，也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

　　弹簧经过热处理炉进行淬火热处理工艺可将弹簧加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高弹簧的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工件、模具及要求表面耐磨的零件。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得工件综合机械性能以满足不同的使用要求。另外天然气淬火炉还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度高。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火等类别。

弹簧疲劳断裂或失效主要原素

弹簧疲劳断裂或失效的原因分析

一、分解弹簧永久变形及其影响因素

弹簧的永久变形是弹簧失效的主要原因之一,弹簧的永久变形，会使弹簧的变形或负荷超出公差范围，而影响机器设备的正常工作。　　

检查弹簧永久变形的方法:

1、快速高温强压处理检查弹簧永久变形。是把弹簧压缩到一定高度或全部并紧，然后放在开水中或温箱保持10～60分钟，再拿出来卸载，检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。　　

2、长时间的室温强压处理检查弹簧永久变形：是在室温下，将弹簧压缩或压并若干天，然后卸载，检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。　　

二、弹簧断裂及其影响因素

弹簧的断裂破坏也是弹簧的主要失效形式之一，弹簧断裂形式可分为；疲劳断裂，环境破坏（氢脆或应力腐蚀断裂）及过载断裂。

1、弹簧的疲劳断裂：弹簧的疲劳断裂属于设计错误，材料缺陷，制造不当及工作环境恶劣等因素。疲劳裂纹往往起源于弹簧的高应力区，如拉伸弹簧的钩环、压缩弹簧的内表面、压缩弹簧（两端面加工的压缩弹簧）的两端面。

受力状态对疲劳寿命的影响

（a）恒定载荷状态下工作的弹簧比恒定位移条件下工作的弹簧，其疲劳寿命短得多。　　

（b）受单向载荷的弹簧比受双向载荷的弹簧的疲劳寿命要长得多。　　

（c）载荷振幅较大的弹簧比载荷振幅较少的弹簧的疲劳寿命要短得多。　　

2、腐蚀疲劳和摩擦疲劳

腐蚀疲劳：在腐蚀条件下，弹簧材料的疲劳强度显著降低，弹簧的疲劳寿命也大大缩短。

摩擦疲劳：由于摩擦磨损产生细微的裂纹而导致破坏的现象叫摩擦疲劳。

3、弹簧过载断裂

弹簧的外加载荷超过弹簧危险截面所有承受的极限应力时，弹簧将发生断裂，这种断裂称为过载断裂。

过载断裂的形式：

(a)强裂弯曲引起的断裂;

(b)冲击载荷引起的断裂;

(c)偏心载荷引起的断裂

三、后处理的缺陷原因及防止措施

缺陷一：脱碳  

对弹簧性能影响：疲劳寿命低

缺陷产生原因：

1、空气炉加热淬火未保护气

2、盐浴脱氧不彻底  

防止措施：

1、空气炉加热淬火应通保护气或滴有机溶液保护：盐浴炉加热时，盐浴应脱氧，杂质BAO质量分数小于0.2％。

2、加强对原材料表面质量检查  

缺陷二：淬火后硬度不足

对弹簧性能影响：产生残余变形，降低使用寿命缺陷

产生原因：

1、非马氏体组织多

2、心部出现铁素体

3、淬火加热温度低

4、淬火介质冷却能力差

防止措施：

1、选用淬透性好的钢材

2、提高淬火介质的冷却能力

3、弹簧进入淬火介质的温度应在AR3以上

4、适当提高淬火加热温度

5、加强淬火后作金相组织检验

缺陷三：过热

对弹簧性能影响：晶粒粗大，脆性增加

缺陷产生原因：

1、淬火加热温度过高

2、热成形温度过高

防止措施：

1、按工艺试验的正确温度加热淬火

2、适当降低热成形温度

3、加强对仪表的校对保证测温准确

缺陷四：开裂

对弹簧性能影响：脆性增加，严重降低使用寿命

缺陷产生原因：

1、加热温度高或淬火介质冷却能力过大

2、表面脱碳

3、回火不及时

防止措施：

1、淬火加热温度严控

2、用等温淬火或马氏体分级淬火

3、在淬火介质中冷到250～300oC取出空冷

4、淬火后立即回火。

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循环载荷作用下螺旋弹簧其破坏断口形状是沿螺旋弹簧内径表面与弹簧轴线呈45°方向由内向外断裂

螺旋弹簧疲劳寿命估算方法

   弹簧作为重要的基础件广泛地应用在机械制造和电器行业之中，是一个重要的受力构件，其功能无非是减振、缓冲、储能、自动控制和产生回复力。它的好坏直接影响着所服务的整机性能和可靠程度，多数弹簧工作是在反复载荷作用下，其破坏形式主要是疲劳断裂。疲劳破坏的过程往往是从裂纹的成核、形成、扩展，直到产生突发性的脆断，因此，疲劳强度应当成为弹簧设计的重要依据。

  螺旋弹簧破坏形式与应力分析大量的试验和使用证明，在循环载荷作用下螺旋弹簧其破坏断口形状是沿螺旋弹簧内径表面与弹簧轴线呈45°方向由内向外断裂，特别是裂纹源多数起源于弹簧内径表面处，断裂截面呈45°并有放射线状花样由裂纹源向外扩展，断口呈脆断形式无明显塑性变形，是曲利的病费断口形式，弹簧的应力状态分析如下：

若螺旋弹簧受到中心压力F，则在弹簧钢丝截面会引起两种切应力，由F产生的扭矩Mk引起的最大切应力，两种切应力只要在螺旋弹簧内径表面才能叠加成最大切应力：如下图

 由于弹簧材料(高碳素弹贫钢丝或65Mn等)均为含碳量高的金属材料,其强度高,塑性差,断裂状态属于正断型,沿最大拉应力方向呈疲劳开裂,而不可能是沿截面最大切应力方向的切断型,多次试验结果证明这种理论分析的正确性。

弹贫钢丝裂纹扩展速率与寿命估算分析

大量疲劳试验表明,尺寸大约为0.01mm量级的微裂纹源常常早在整个寿命的10%以内就已经在一些微观应变不均匀的地区或应力集中处形成,而由这微型裂纹扩展到宏观可测裂纹又占疲劳寿命的主要部分,而有的材料由于冶金缺陷和损伤等原因,予先就有初始裂纹存在。因此,疲劳寿命问题,实质上就是裂纹扩展问题。

根据弹贫的工作载荷情况,弹簧的疲芳问题属于高周应力疲劳,材料裂纹尖端塑性区远比裂纹长度或其它特征几何尺寸小的多,故可用线弹性断裂力学方法来分析问题。众所周知,在线弹性断裂力学中,疲劳裂纹扩展速率常用Paris公式:

按（3)式即可估算出弹簧断裂时的寿命。而实际上弹簧疲劳实验数据比按（3)式计算出的寿命要低很多，而主要原因是裂纹在扩展过程中，△σ1（(△K1)不是一个常量，它会随着裂纹长度a的变化而变化，而且越变越大，因此（3)式就有一定的近似性。上述估算方法有待进一步从理论上研究，以求得与实验大致符合的估算公式，是我们今后的任务。目前，在实际应用中，弹簧疲劳寿命仍借助于实验统计方法求出。

测试弹簧寿命的方法

目前弹簧疲劳寿命测试多采用抽查方法，如果每个弹簧都做疲劳测试是不允许的，根据疲劳累积损伤理论，多次试验必然会造成弹簧整个使用寿命的降低。抽查试验是在多工位疲劳试验机上进行，抽查数目越多越接近实际情况的真值，但太多了又会给试验工作带来麻烦。

弹簧疲劳源的产生与多种因素有关，决定弹簧的制造工艺，材料的性质与组织内部组织结构的疲劳源的产生是一种随机问题，因此，他又是一个概率问题，必须通过大量的试验运算统计规则，找到他们概率分布，需要在这方面做大量的工作，利用裂纹扩展规律，估算上需投入大量的试验与研究，从而求得弹簧寿命的一种正确的结果。

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喷丸可使弹簧表面产生残余压应力，从而可提高其疲劳强度。

货车螺旋弹簧疲劳寿命可靠性分析

螺旋弹簧是车辆主要零部件之一，它在运用过程中起着缓和冲击与振动，从而减轻零部件及钢轨的损伤，并使列车运行平稳的作用。如果弹簧性能低劣，不仅达不到上述目的，甚至会导致严重的行车事故。据齐齐哈尔南车辆段1992年4～8月份统计，约有125个枕簧折损或变形超限等损伤，其中裂损占50%以上。由此可见，对弹簧进行寿命分析，找出影响寿命的主要因素，对于确保车辆处于良好的运行状态是至关重要的。

1弹簧疲劳寿命统计分析

 兰州铁道学院车辆工程实验室曾对15组共45套转8A抗簧进行了疲劳试验，实验时按每组3套同时加载，一且发现其中任一个弹簧发生断裂或全部弹簧满足循环次数等于1000万次时即停止试验。分析可知，此试验数据为不完全截尾寿命试验敦据，利用近似中位秩法对以上数据进行统计处理得出了弹簧的失效信息：

将弹簧的寿命观为服从威布尔分布。利用表1中的数据可由最小二乘法拟合出外簧、内簧和内、外簧组成的一套弹簧的分布参敦和拟合时的相关系效R.，且可根据R，和自由度(n-2)由资料查得相应的置信度，结果见图2。

由图2可见，弹簧寿命服从三参数戚布尔分布的置信度均在0.99以上。

由可掌性理论可知，给定寿命下的可靠度为式1，式中Nn为威布尔分布的位置参数；η为特征寿命；m为威布尔分布的形状参数。

将图2中的有关参数代入式1即可求得N=1000万次时弹簧的可靠度

R外=0.6474  R内=0.7825  R组=0.5567

另外，由可靠性理论知：内外圈弹簧组合时，可看作一个串联系统进行可靠性分析，其可靠度为R组=R外*R内

 将R外=0.6474和R内=0.7825代入式(2)得R组=0.6474X0. 7825-0. 5066。这一结果与试验得出的结果(R组 =0. 5567)接近。

2弹簧疲劳寿命可靠性计算

2.1基本理论

大量试验研究与运用实践证明：货车弹簧的寿命多者超过一百万次，少者只有几万次，分散性很大。寿命分散性主要受尺寸、强度等因素的分散性影响，而这些因素的分散性在传统计算方法中是难以反映的。为此，本文采用可靠性计算方法来进行分析计算。所用公式为

2.2转8A枕簧的可靠性计算

由资料可查得转8A枕簧的有关参数，见表3。

2.2。1  弹簧应力计算

由表3中数据按“3σ法则”得

3许用可靠度确定

许用可靠度是可靠性设计的依据，它直接关系到产品的安全性和经济性。国内外许多专家都在探索如何选取最优可靠性指标问题。目前常用的确定方法为类比法和校准法。前者是类比人们在日常生活中所经历的其它风险时公众所能接受的失效概率确定出一个许用指标；后者则是对原来的设计标准进行校核来确定许用值，由于后一种方法充分利用了长期积累的经验，因而较前者更合理。

目前。我国车辆行业对弹簧疲劳强度的验收标准为：抽取3套弹簧进行试验，全部满足Ⅳ≥1 06次时认为产品合格。否则认为不合格。由于弹簧生产批量很大，故可按标准计数型抽样方案来反隽其合格质量水平Po。由文献[1]可知

据此综合考虑国内外现行标准中的规定，可由校准法取内、外圈弹簧的许用可靠度为0. 99。内、外圈组合弹簧的许用可靠度取为0.98。

4弹簧寿命影响因素分析

由计算可见，目前所设计的弹簧经过合理的强化处理是可以满足要求的。弹簧质量不理想的主要原因是材质和工艺问题。在枕簧试验时，早期断裂的弹簧大都存在压痕、夹渣等缺陷。

4.1尺寸偏差的影响

由式(3)可见，只要簧条直径彳和弹簧中径D各有1%的变化，应力偏差即将有7%的变化，从而导致寿命更大的分散。因此，应根据目前的实际情况选择一个满足经济性要求的尺寸偏差，并在验收时严格控制。

4.2表面伤痕与粗糙度的影响

表面伤痕处由于产生应力集中而易产生疲劳裂纹。资料表明，某一材料的弹簧，表面质量良好时的寿命为2. 73×106，表面有擦伤时为5.72×100,表面有小孔时为2. 76×10$1表面有裂纹时仅为1. 84×100。目前，国内外对弹簧的表面质t都有具体规定，见表4。

 表面粗糙度对疲劳强度也有很大影响。试验表明，弹簧淬火回火后，表面粗糙度在小于30弘m的区域内对疲劳强度影响最大，见图1。

4.3淬透性的影响

 由文献[4]知，一定硬度值以下的疲劳强度随硬度提高而增加，但硬度值超过该值后情况恰好相反。另外材料淬火愈不完全，疲劳强度愈低。

4.4表面脱碳的影响

表面脱碳会使弹簧上形成应力集中区，因而影响弹簧使用寿命。转8A扰簧所用硅钢脱碳层对其疲劳强度的影响见表5。由表5可见，脱碳愈严重，疲劳强度愈低。而且硅锰钢比其它合金钢更易脱碳。因此脱碳对枕簧疲劳强度的影响是不可忽视的。

4.5强化影响

 喷丸可使弹簧表面产生残余压应力，从而可提高其疲劳强度。国外试验资料表明：喷丸可使弹簧的疲劳强度提高50%～70%，甚至更高。另外，近期研究证实，在工作载荷的加载工况下预先加载t通常顶应力高达材料屈服极限的80%～90%），然后进行喷丸效果会更好。

5结论与建议

 (l)由以上试验结果的统计与计算分析可见，转8A枕簧的疲劳寿命服从三参数威布尔分布。且通过用校准法对目前验收标准的校准并类比国外经验可取转8A枕簧内外圈弹簧各自的许用可靠度为0. 9g，组合后的成套弹簧的许用可靠度为0.98。

 (2)另由以上分析可得t目前转8A枕簧循环次数等于IO‘次的可靠度依次为：内圈弹簧0. 782 5。外圈弹簧0.647 4。成套弹簧0.556 7。而通过强度分析可知它们的设计可靠度均在0. 98以上。造成这一问题的主要原因是加工工艺质量及原材抖的表面缺陷同题。因此，对我国铁路货车弹簧的加工质量和强化效果应引起重视。尤其应严格对原材料进货的检查与验收。

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东莞亨特弹簧厂为大家讲解下常见的11种热处理工艺，例如正火、退火、淬火、回火等的概念知识。

东莞亨特弹簧厂为大家讲解下常见的11种热处理工艺，例如正火、退火、淬火、回火等的概念知识。

一、何为正火？

就是将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

二、何为退火？

就是将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。

三、何为淬火？

就是将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。  50CrVA弹簧钢880℃淬油金相组织

四、何为回火？

就是将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。

五、何为固溶热处理？

就是将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

井式回火炉

六、何为固溶处理？

就是使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型。

七、何为时效？

就是合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。

八、何为时效处理？

就是在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度。

九、何为钢的碳氮共渗？

就是碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

十、何为调质处理？

就是将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。

十一、何为钎焊？

就是用钎料将两种工件粘合在一起的热处理工艺。