螺旋压缩弹簧应力松弛的动态研究及服役寿命预测

摘要

应力松弛是金属材料中一种普遍存在的现象，是各种弹性元件及构件的主要失效形式之一。然而，对于弹簧应力松弛测试方法尚缺乏统一的标准，对其松弛机制及产生条件亦有待进一步深入研究。因此，探寻测定弹簧应力松弛特性的可靠方法，研究弹簧应力松弛性能的变化规律、寻求有效的预防技术，对提高零件的质量、延长零件使用寿命和整套设备的运行可靠性等，都有重要的技术经济意义。 为了研究螺旋压缩弹簧应力松弛的规律，从而实现对弹簧服役寿命的可靠预测，本论文首先自行设计了一套弹簧应力松弛动态在线测试装置。该装置实现了在室温至200℃下弹簧应力松弛的连续、带温测量并自动记录数据与显示松弛曲线，显著提高了测试精度。利用该装置研究了T9A弹簧和60Si2Mn弹簧在80～200℃不同温度下应力松弛行为，获得了应力松弛动力学方程。同时，研究了弹簧在不同初载荷下的松弛特性，分析计算了松弛过程的激活能，据此可以推算出在一定范围内某一温度和时间下的应力松弛指标，为螺旋压缩弹簧的寿命评判提供了可靠的实验依据。借助于光学显微镜、透射电镜研究了应力松弛过程的微观组织变化过程，并结合松弛热力学和动力学特点，对应力松弛机理进行了探讨。 研究结果表明，弹簧的应力松弛分为两个阶段，在室温至200℃范围内满足Arrhenius方程，因此可以在室温以上的有效温度范围内实现在短期内对弹簧室温下服役寿命的预测；通过对弹簧松弛过程中的微观结构变化的观察及分析，认为应力松弛是以弹性应变能作为驱动力的位错运动和原子扩散的热激活过程，是位错排列、应力分布和亚结构趋向均匀化，材料内部组织和性能趋向稳定化的过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1弹簧的类型及材料

1.1.1弹簧的类型

1.1.2弹簧材料

1.2应力松弛现象及其主要特性指标

1.3应力松弛测试方法

1.3.1拉伸应力松弛试验法

1.3.2压缩应力松弛试验法

1.3.3弯曲应力松弛试验法

1.3.4扭转应力松弛试验法

1.3.5螺旋弹簧应力松弛试验法

1.4弹簧应力松弛方程

1.5应力松弛的位错热激活理论

1.6应力松弛机理研究概况

1.7本课题的提出和主要研究内容

第二章实验材料及实验方法

2.1实验材料

2.2实验方法

2.2.1应力松弛测试

2.2.2数据的数学处理

2.2.3锁紧机构弹出到位速度验证

2.2.4微观结构分析

第三章动态应力松弛测试装置的设计

3.1传统测试方法的改进

3.2动态应力松弛测试装置的研制

3.2.1装置的设计

3.2.2仪器的操作步骤

第四章弹簧应力松弛测试实验结果与分析

4.1传统应力松弛测试与连续测试方法的实验比较

4.1.1传统应力松弛测试实验结果

4.1.2连续应力松弛实验结果

4.2不同初载荷下的应力松弛

4.3弹簧在不同温度下的应力松弛

4.3.1 T9A弹簧在不同温度下的应力松弛

4.3.2 60Si2Mn弹簧在不同温度下的应力松弛

4.4弹簧寿命预测

4.4.1室温下弹簧寿命预测方法

4.4.2室温以上加速实验方法的理论依据

4.4.3 T9A与60Si2Mn弹簧的寿命预测

4.4.4 T9A弹簧实验验证

4.4.5系统误差分析

第五章弹簧应力松弛过程中的微观结构变化与松弛机理

5.1弹簧的原始组织形态

5.2不同温度下松弛后弹簧的组织形态及性能

5.3不同时间松弛后弹簧的组织形态

5.4弹簧应力松弛机理的探讨

5.4.1弹簧应力松弛过程中热力学

5.4.2弹簧应力松弛动力学

5.4.3应力松弛与蠕变的关系

5.4.4应力松弛与塑性变形

5.5小结

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢