淬火后回火工艺对弹簧钢抗松弛性能的影响规律

摘要：弹簧钢因其优异的弹性、强度与疲劳性能，在汽车、轨道交通以及机械制造等诸多领域得到广泛应用。高温或者长时间施加载荷的时候，弹簧钢的应力松弛情况会直接影响到构件的服役寿命。热处理过程里，淬火和回火参数对它抵抗松弛的能力有着决定性意义。文章主要针对淬火之后再进行回火处理这一工艺过程，研究不同种类弹簧钢材料在其中表现出的抗松弛能力调控机制，从组织变化、残余应力消除以及碳化物析出这些角度展开深入分析，并探讨回火温度、时间长短以及回火次数对于性能演变所产生影响的具体规律，给出能够应用于工业生产的热处理改进方案，从而为提升高强度弹簧钢服役稳定性能给予理论上的指导意义和实际操作建议。

关键词：弹簧钢；回火工艺；抗松弛性能

机械装备和交通运输中，弹簧钢构件的应力松弛现象直接影响到系统的稳定状态。热处理是调整弹簧钢性能的关键措施，淬火后的回火工艺参数，如温度、时间、次数等，会决定材料抗松弛的能力。文章从组织演变和应力释放机制出发，全面探索回火工艺对弹簧钢抗松弛性能的影响规律，给工业生产中热处理的优化操作给予理论支持和实际指导。

一、弹簧钢材料抗松弛性能的基础认知与影响因素

（一） 服役条件下弹簧钢应力松弛的微观机制

在长时间的静载或高温应力环境下，弹簧钢内部晶格结构慢慢重新排列并滑动，导致弹性应变逐步释放，表现出宏观力学性质的松弛现象。这和金属的回复、再结晶以及碳化物的析出发展紧密相关。应力集中区域位错密度变动情况，还有晶界附近发生的扩散过程，都是造成松弛效应不可逆转累积的主要途径。在高温条件下，碳原子在马氏体和铁素体组织中积极地移动，使得材料局部组织出现软化，降低了它维持原有变形稳定性的水平。从微观角度讲，核心之处在于残余应力的释放以及碳化物形态、大小、分布状况的耦合演化，这对应力松弛有着决定性意义。

（二） 常用弹簧钢牌号成分结构对抗松弛性能的影响差异

不同的弹簧钢其合金成分和组织特性就决定了其应力松弛本质的不同。在工业上，以60Si2Mn、50CrVA和55CrSi等为代表的高强度弹簧钢各自有着组织上的优点。硅和锰元素能够提升材料的淬透性，还能改善回火稳定性；而铬元素有利于加强抗回火软化的能力，也能促进碳化物的均匀析出。合金元素对组织产生调节作用，它们调整了强化机理和碳化物形貌改变，进而提升了组织的热稳定性和抗蠕变的能力。在相同的热处理情况下，高合金化弹簧钢的残余奥氏体量以及原始组织细化程度，成为了影响其抗松弛能力波动的重要因素。恰当的选择材料牌号能够为后续的热处理改进打下良好的基础。

（三） 热处理工艺对弹簧钢组织结构演化的调控作用

热处理制度在决定弹簧钢抗松弛性能上起着关键作用。淬火过程里，细小马氏体组织的生成可以提升材料强度；回火阶段，组织稳定性以及残余应力释放状态得到调节。回火温度和保温时间变化对碳化物析出形式、分布位置及尺寸控制有着明显影响，从而改变材料微观强化机制。低温回火时，回火马氏体中仍然存留许多位错和内应力，难以彻底稳定组织；高温回火或许会引发晶粒粗化和组织软化，降低抗松弛能力。工艺调控要在组织强化与稳定之间找到动态平衡点，保证材料长期加载条件下性能不下降。

二、淬火后回火参数对弹簧钢抗松弛性能的调控机制研究

（一） 回火温度对马氏体回复及碳化物析出行为的影响研究

淬火后回火温度的选择直接影响马氏体相的回复程度以及碳化物的析出状态，进而对弹簧钢组织稳定性和抗松弛性能产生深层次的影响。在较低的回火温度下，马氏体结构的回复过程较为缓慢，残留应力的释放量较少，容易造成使用过程中应力快速松弛的情况发生；相反地，较高温度会促进马氏体向铁素体转化并加快碳原子扩散速度，生成弥散分布于基体中的合金碳化物，使晶界更加稳定且增强了位错钉扎作用力的效果，使得抗松弛的能力得到提升。碳化物的粒径大小、形状特征以及分布密度均会受到回火温度变化的影响。如果把温度控制在中高水平上，则较容易获得细小且均匀的粒状碳化物，这有利于抑制位错运动的同时也保持住组织方面的热稳定性。

（二） 延长回火时间对残余应力释放及组织稳定性的影响机制

延长回火时间，淬火后组织内的残余应力释放效率提高，碳化物析出和沉积充分，有利于形成组织稳定性高的弹簧钢结构。淬火马氏体结构中内应力复杂集中，回火时间短，组织中高能缺陷和局部畸变恢复不完全，服役时快速松弛；回火保温时间长，钢材内应力消解彻底，位错密度降低，服役温度下应力松弛速率显著减小。碳化物析出时间充足，利于均匀分布的稳定相形成，晶粒间相界强度、滑移抗力提升。回火时间对组织稳定性影响在高温区更明显，是控制晶内结构演化的关键时间尺度参数，对弹簧钢疲劳寿命、应力保持能力有直接影响。

（三） 双重回火工艺对提升抗松弛能力的实验研究

双重回火工艺通过两次回火处理，让弹簧钢的组织得到更充分的稳定化，从而大幅度改善其抗松弛性能。首次回火时，主要达成马氏体的回复以及部分碳化物析出，减缓残余应力的累积速度，预先处理好位错密度；二次回火则加强弥散相的析出以及相界强化效果，使微观组织更为稳定。实验对比显示，双重回火样品在高温持载情况下的应力保存率比传统单次回火高很多，组织当中形成更均匀、更细小的碳化物颗粒，晶界强化程度也明显提高，有效地阻止了位错爬移和滑移带的扩大。双重回火工艺借助延长热处理过程，减小了组织结构对热应变的敏感度，使得弹簧钢在长时间的高温载荷作用之下，仍能保持较低的应力衰减速率，在关键的弹性元件制造过程中体现出良好的服役稳定性。

（四） 冷却方式对回火组织与应力状态的耦合影响

回火之后的冷却方式对于弹簧钢内部组织结构的定型过程以及残余应力的二次形成存在一种复合作用。水冷速率较快，容易引发新的热应力聚集并造成组织不均，从而减弱整体抗松弛能力；而空冷过程较为缓慢，有助于晶体组织均匀回复及应力平衡状态的形成。在相同的回火温度与时间条件下，采用空冷处理形成的样品中出现稳定分布的碳化物及低位错密度特征，在应力松弛曲线表现上呈现出更平缓的衰减趋势。油冷等中速冷却方式在保持强度的同时也考虑到了一定程度的应力释放，适合于对尺寸稳定性有较高要求的弹簧钢产品。

（五） 典型弹簧钢在最优热处理下的抗松弛性能测试结果

在综合控制回火温度、时间与冷却方式基础上形成最佳热处理制度下，典型弹簧钢材料具备出色的抗松弛能力，可适应长期服役环境中的力学性能保持需求。从实测数据可知，经过550℃中温回火、120分钟保温以及空冷冷却处理的60Si2Mn钢样品，在250℃持载100小时条件下的应力保持率明显优于其他热处理组别，组织内出现大量弥散分布的粒状碳化物，晶粒边界强化效果突出，宏观变形量被严格控制在很低水平。金相显示，此处理路径有益于形成稳定的亚稳态组织，位错运动被抑制，钢材的回复与再结晶程度较为合适，其疲劳抗力和应力保持能力较好。

三、结束语

弹簧钢的抗松弛性能和高温长期加压时的可靠程度相关联。在系统地对弹簧钢淬火后再回火的不同温度、时长进行反复试验后，发现适当的回火温度、回火时间配比有助于组织稳定，残余应力减小，抗松弛性能提升。双重回火和分级回火等新的处理方式在实际测试中表现更优，说明了热处理路线优化对提升弹簧钢服务稳定性的重要性。可尝试结合组织模拟、相场建模、智能控制等方法进一步开拓高性能弹簧钢工艺设计的新思路。

参考文献：

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