本文转载自美国弹簧协会 SMI 发行之 SPRINGS 弹簧专业论文月刊英文版 2002 年 8 月号第 53 至 55 页，台湾区弹簧工业同业公会刘秘书中译
· 弹簧设计与弹簧材料关係及重要性
弹簧无所不在；几乎所有产品都应用了某些形式之弹簧，作为锁夹或回復弹簧之用。使用许多种类材质，从金属到塑胶，制造这些弹簧，弹簧的形状及负载特性係随着其不同使用情形而变化。最基本地、当弹簧被移位（displaced）时，弹簧是一种为了能够储存机械能的装置。一条好的弹簧，即承受负载时，弹簧偏移度（deflection）可接受，并且在不受任何尺寸上改变时能回復到平衡状态。
· 弹簧设计的重要性
设计人员在工作期间，每一位工程设计者都发现他们须要设计出几种不同形式弹簧，通常设计出的弹簧仅供检视直到设计程序结束为止。但是、弹簧通常是最重要的零件，若弹簧失效，机器就不能运转。
因此、当设计阶段就必须尽可能考虑周详，诸如弹簧设计者要能提供使用者最经济效益、寿命最长的产品。倘事先未能计划周延，以致于空间无法容纳弹簧，或经常发生这种情况、为能达弹簧原设计功能，却须要增加额外一些操作，导致不必要的预算支出。
所有设计人员一定认同弹簧可靠度对于任何机械寿命关係重大，统计资料显示，正确弹簧设计能确保机械寿限最重要的一项因子。设计之初有正确的规格构想，设计出来的弹簧性能必定良好且寿命很长。
弹簧设计者藉由起始关念构想－经由设计计算公式、初期雏形及初期产制等阶段，再到最后量产，一连串设计制造程序。一位弹簧专业人员以很快的时间在现场就能做设计上修改。
· 弹簧材料－工作上选用正确的材料
弹簧材料是使用在工业中是最强硬的材质，弹簧被设计来执行其工作的工作应力远大于其他物件，本例来说，螺旋压缩弹簧能够加压力达 70% 或大于材料极高拉伸强度（UTS-ultimate tensile strength）。另外、弹簧材料必须能够在超高温、腐蚀溶液、超低温、超动态负载及震动负载环境中工作。
弹簧材料也不仅利用其机械特性，同时也有利用其导电及导磁能力特性。
弹簧材料专业属于既广泛且深远的领域，本篇仅作简单介绍，希望能提供你在选择材料时较为有信心。本篇文章涵盖三种主要弹簧材料：低合金碳铜、不锈铜及铜合金。
· 冷抽碳铜
为了一般工程上的使用，弹簧钢由于其相对价格低及来源广泛，对设计者而言是好的选择，也因弹簧铜最强硬所以设计者愿意选用。
钢线线径低于 2.00 mm ，特别是标准冷抽 BS5216, S202 及 DEF106 等碳钢最强硬。这些材料在强度及表面磨光达一定标准所以较容易符合弹簧端部上一定要求。举例来说、线径为 1.60 mm，BS5216 材料等级一般使用情况如表1。
材料表面磨光度也用来区分等级，因此动态负荷可参阅表2。
这些等级也有一些经锌或铝/锌表面处理预硬化碳铜，对于非炽热应用提供较佳防腐蚀保护功能。反之、这些材料例如碳或低合金钢，就特别需要某方面的防腐蚀保証。
· 预硬化回火碳铜
另外一种型式弹簧材料是低合金或碳预硬化回火铜，这些材料经线材厂抽线退火并硬化以产生高强度钢线。这些比冷抽材料线径 2.00 mm 有更高强度，这些材料经由硬化程序获得机械强度（mechanical strength），所以不会因为线材直径大小改变笙极高拉伸强度。事实上，有可能用粗钢线比细钢线获得较高的极高扯伸强度。
不论是碳铜或低合金钢成份材质，厂商产制许多种标准化的预硬化回火碳铜及合金钢，例如硅铬（BS2083, 685A55）或铬钒（BS2083, 730A65）均广泛被使用。
· 不锈铜
不锈钢由于具备防腐蚀及防松弛或工作温度高等需求，弹簧业者普遍作为一般的弹簧铜使用。不锈钢有许多等级，係按照其机械特性及防腐蚀分级。一般而言、同样尺寸粗细不锈铜较弹簧铜软弱 20%，但是析出硬化等级（precipitation-hardening）不锈钢与弹簧钢有相等的强度。
不锈铜包括 BS2056, 1991，一般常被使用是 301S26 及 302S26 不锈钢，每种分别具有 17%/18% 的铬及 7%/8% 的镍成份。然而、如需要较高抗腐蚀，特别是使用在咸水中，宜採用 316S33 及 316S42 等级的不锈钢，使用添加了钼元素以提昇抗氯化物腐蚀。
前面所讨论到各种等级不锈铜，都是用冷抽程序以获得强度，这种程序使得材料略带有磁性，假如对线材要求为极低导磁性，有两种等级不锈钢可使用：305S11 及 904S14，其完全排除残留磁性。
假如须要更高强度的不锈铜，可使用析出硬化不锈钢，成型后的弹簧成品，在 480℃温度热处理。这将使材料少许析出，增大极高拉伸强度。例如、抽线情形下 1.00 mm 钢线极高拉伸强度至少达 171O N/mm2，但是，相较于 302S26 及 301S26 腐蚀性就不良。
· 铜合金
以铜为主的合金使用于高导电及导热，非磁性或良好大气阻抗需求，弹簧业者常使用三种铜合金，涵括 BS2873，分别为 CZ107弹簧黄铜线， PBl02 及 PBl03 磷青铜线，及 CB102 铍铜线。
弹簧黄铜线 CZ107，磷青铜线 PB102 及 PB103 以冷抽方式获得材料强度，磷青铜线若再有高成份的钖，其具极高拉伸强度，所以磷青铜线含高成份钖，这种铜合金被广泛使用。
铍铜线 CB102是析出硬化材料，依据线材厂热处理程度，则有各种硬度不等线材可供购买，虽然属铜合金是最昂贵的一种线材，但它可被硬化，它比其他种类铜合金更能承受较大工作应力。
· 去应力退火热处理
良心上的建议，所有材质的弹簧在成型后都必须做去应力退火热处理，就冷抽弹簧钢线而论，用 220℃ 至 375℃ 温度处理 10 分钟至 1 小时，可视弹簧种类或应用而定。此程序主要目的就是减低弹簧成型时导入的应力，因为此应力毫无益处，尤其是就压簧及拉簧而言更须注意。
去应力退火也少许增加了材料的弹性极限，并稳固弹簧的尺寸大小，去应力的问题就是「成型导入」应力被去除。弹性移除将造成弹簧的尺寸大小的改变，所以在设计弹簧之前，制造者必须考量尺寸大小的改变问题。
简明材料对照如表3所示，并不代表任何意义，因为限于篇幅及时间，所以不能完整呈现弹簧材料。另外，针对特定材料如镍合金，未能以清单方式呈现供参考，倘贵读者想要瞭解更详细的材料，欢迎与本人联络。
· 原文作者简介
Matthew Drew 为英国罕布夏郡南方弹簧公司技术部经理，曾就读于弹簧技术学院（IST）并获颁证照。连络电话：＋44(0)1425611517；e-mail：matt@southernsprings.co.uk
· 文章来源
台湾区弹簧工业同业公会月刊 第七十三期
