片弹簧贮存中性能和结构变化分析

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片弹簧在低水平低静载荷状态下工作，发生断裂失效的可能性不大，但由于在成型加工、热处理、强压试验和安装过程中不可避免地要引入残余应力以及由于弹性性能的不断释放、生产中的表面处理不当等因素，处于服役状态片弹簧随着时间的延长可能发生弹力不足和变形现象，从而影响部件的装配精度及使用性能。

研究片弹簧在贮存过程中力学性能、几何尺寸的变化规律，掌握-些数据，为产品工程可靠性研究提供技术指导意见。

1 试验方法某片弹簧采用 60Si2Mn材料加工而成，片弹簧简易结构如图 1所示。

为了分析其在实际工作中状态性能和结构尺寸的变化情况，本文采用自制片弹簧持久压缩工装(见图2)，1 22图 l 片弹簧简易结构L j L l j L I J血 上 上 - .-l I l 广 t-t3 立l I l- 于 - -J 于图2 片弹簧持久压缩工装使片弹簧产生-定变形量(1.5mm、3.5mm、4.5mm)，其高度由 变为 ，并固定高度 日，放入常温干燥的实验室，保持 7天后取出，测定其压缩到高度为刘俊，等：片弹簧贮存中性能和结构变化分析 2013年第5期- i.5mm时所需要的负荷 F 。每隔7天测-次，记录各次F ，然后绘制负荷损失率-时间曲线(即 △ Fo-t曲线，△FFo-F ， 为初始工作负荷， 为弹簧的初始自由高度)和残余变形-时间曲线。

2 试验结果2.1 产生不同变形量贮存时残余变形的变化测试了片弹簧在变形量为 1.5ram、3.5mm、4.5mm三种状态下贮存时，残余变形 卵随时间的变化趋势。每种状态下的残余变形 卵为四件试样 的平均值 ，即 叩(卵l叩2叼3叼4)/4，叼l、叩2、叼3、t，74分另0为四件试样在不同试验周期的残余变形值。然后建立以时间的自然对数为横坐标 ，叼为纵坐标的曲线图。

片弹簧不同变形量贮存中残余变形变化数据如表 1所示。片弹簧不同变形量下残余变形随时间的变化规律如图3所示。对图3进行线性回归Ya ，其中 为lnt，Y为叼.5、'73. 、叼 .5，a和b为回归系数，计算公式为：∑ - ∑xya - ∑ -n∑xy-n 6 兰 - - - n 。。 -式中：n为样本数。

(2)通过式(1)和式(2)计算得到回归方程：71 50.035 71nt-0.130 9 (3)叼3、50.0581nt-0.100 1 (4)叩4.50.204 71nt-0.829 7 (5)式中：叼 . 为变形量为1.5ram时的残余变形，%；叼 5为变形量为 3.5ram时的残余变形，%；r/ . 为变形量为4.5mm时的残余变形，%；t为时间，h。

，-- --- --- - - 根据(占-6)/ √∑ ( - ) ～tp(n-2)，b为回归方程中的回归系数，b为b的点估计值，P为置信概率 ， 为 Y的方差根的估计 ， 为变量，t 为试验数据在t分布状态下置信概率为P、自由度为 n-2时的值 ，在假设b0的前提下，只要(6-6)/ √∑( - ) >t ( -2)，线性回归公式的线性就是显著的 J。

对式(3)-式(5)进行线性显著度检验。以 0.035 71nt-0.130 9为对象进行分析，式(4)、式(5)类推。

令 lnt，Y卵l 5，那么从表 1可知： 5.12，5.81， ，8.10；Y0.10，0.10， ，0.18。

b ∑( - )(y- ) ∑ ( - ) ：Q： ：0.025 69.596 4 0.033 8假设 b0，有：0.0325368× 丽 -2.35取置信度P95%，自由度 n-210，查 t分布 J得t。(n-2)2.23，所以，(b-b)/ /∑( -x) >tp(n-2)，所以， ，71 50.035 7lnt-0.130 9的线性是显著的。

0.0581nt-0.100 1和叼4.50.204 71nt-0.829 7的线性也是显著的。

表 1 片弹簧不同变形量贮存中残余变形变化数据从表 1、图3以及线性回归方程的线性显著度检验结果可知。

1)片弹簧在每-种初始变形量下贮存时，其残余变形与时间的自然对数之间存在很好的线性趋势，但是不同初始变形量状态下，这种变化趋势不同，变形量越大，残余变形变化的速率越大，并且随着时间推移和初始变形量的增加，这种变化趋势的差距越大。

2)通过线性回归方程计算，片弹簧在 1.5mm、3.5mm和 4.5mm初始变形量下贮存 20年后，残余变形分别为：0.30% ±0.08%、0.60% ±0.11%和 1.64%±0.42%，包含因子 。2。与该弹簧残余变形的使用合格要求 r/≤1%相比，只有变形量为 4.5ram贮存20年后才超出其使用合格要求。其他两种状态贮存20年均能满足要求。

2.2 产生不同变形量贮存时弹性性能变化测试了片弹簧在变形量为 1.5mm、3.5mm、4.5mil三种状态下贮存时，弹性性能的变化趋势。弹性性能以负荷损失率AF/Fo为考核指标。负荷损失率1 232013年第 5期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering) 描镁lnt/h图3 片弹簧不同变形量下残余变形随时间的变化规律为四件试样的平均值。然后建立以时间的自然对数为横坐标，△F/ 为纵坐标的曲线图。片弹簧不同变形量贮存中负荷损失率如表2所示，片弹簧不同变形量下负荷损失率随时间的变化规律如图4所示。

对图4所示曲线进行线性回归，得到回归方程：△，1. 5/ f1l 5、0.422 31nt-2.198 6 (6)△ 5/ f 3510.482 91nt-2.543 6 (7)△F4 / f4 s 1.499 31nt-7.403 3 (8)式中：AF1.5/Fo(1l 5)、A .5/Fo(3.5)和 △R 5/ (4 5)分别为变形量1.5mm、3.5mm和4.5mm的负荷损失率，%。

表 2 片弹簧不同变形量贮存中负荷损失率对式(6)～式(8)进行线性检验，线性显著度水平均在95%以上。

图 4 片弹簧不同变形量下负荷损失率随时间的变化规律从表 2、图4所示，以及线性回归方程的线性检验结果可以看出如下结论。

1)片弹簧在变形量为 1.5mm、3.5mm、4.5ram状态下贮存时，其负荷损失率随着时间的增加，与时间的自然对数呈波动上升的趋势，这种波动性来源于检测方法的误差，而这种上升的趋势体现了它们之间的线性关系。

2)片弹簧在变形量小于 3.5mm贮存时，不同的变形量对其负荷损失率影响不大，在变形量为 1.5mm和 3.5mm状态下，其负荷损失率是交替着缓慢上升，它们的线性斜率仪秤近(分别为 0.30和0.36)，但是当初始变形量达到4.5mm时，其负荷损失率与时间的变化趋势明显加强，斜率达到 1.47，是初始变形量为 1.5mm状态下的 4倍以上，随着时间的增加，这种趋势在加大。

3)通过三个状态的线性回归方程，假设以 2O年124为时间节点，利用式(6)～式(8)计算不同变形量状态下贮存 20年后 的负荷损失率 △F /F。 、、△ /F0(3.5)、△. 5/F0(4. 5)分另IJ为：△Fl 5/F0f15、2.90% ±1.14%AF3 5/F0f 35)3.29% ±1.22%△F4.5/Fo 5、10.70% -43.00%包含因子k 2。以初始负荷为250N计算 ，20年后，变形量为 1.5ram和 3.5mm的片弹簧依然满足工作负荷的要求，而变形量为4.5mm的片弹簧已超出工作负荷的下限(230N)。但是当片弹簧的初始工作负荷在 260N～270N时，三种状态下贮存 20年性能依然满足要求。

2.3 片弹簧应力松弛前后组织变化情况片弹簧松弛前后光镜组织和透射电镜组织变化情况如图5所示。从图5所示可知，片弹簧应力松弛前后其组织的变化在光学显微镜下均为回火索氏体(细状马氏体)，但松弛前组织较粗(见图5a)，松弛后组织变细(见图5b)；在透射电镜下，这种组织的粗细差别更加明显：松弛前马氏体板条粗大，整个组织混乱(见图5c)，松弛后，马氏体板条变得细密，在局部的基体内产生了黑白相问的条带状亚结构(见图5d)和弥散碳化物(见图5e)的增加，弥散的碳化物有连接成线而重新分割马氏体板条的趋势，并且整个组织显得均匀有序。产生这些变化的原因是，片弹簧经淬火、回火后，组织内存在位错密度分布不均匀的现象，在长时间、应力和温度作用下，在铁素体弱区内，位错和空穴交互作用、异号位错的抵消、位错的重新排列使