参数列表
| 符号 | 名称 | 单位 |
|---|---|---|
| De | 外径 | mm |
| Di | 内径 | mm |
| h0 | 锥高 | mm |
| s | 挠度 | mm |
| t | 厚度 | mm |
详细计算指南
DIN 2093 材料汇总：常用碟形弹簧材料性能表
1. 适用材料概述
DIN 2093 规定的碟形弹簧主要采用淬火回火弹簧钢制造。标准中给出了材料的力学性能要求，并对不同截面厚度的碟簧进行了疲劳分组。选择材料时需综合考虑强度、韧性、疲劳性能、工作温度以及耐腐蚀性。
以下汇总了 DIN 2093 常用及可参考的碟簧材料，包括标准牌号、关键力学性能、适用温度范围及典型应用场合。
2. 材料性能汇总表
| 材料牌号 (DIN/EN) | 材料编号 | 常见标准 | 抗拉强度 $R_m$ (MPa) | 0.2%屈服强度 $R_{p0.2}$ (MPa) | 弹性模量 $E$ (GPa) | 推荐最高工作温度 (°C) | 耐腐蚀性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C75S (1.1248) | 碳素弹簧钢 | DIN EN 10132‑4 | 1400–1700 | 1200–1400 | 206 | 200 | 差，需涂层 | 通用机械、汽车、低应力 |
| 50CrV4 (1.8159) | 铬钒弹簧钢 | DIN EN 10089 | 1500–1800 | 1400–1600 | 206 | 250 | 差，需涂层 | 高应力碟簧、疲劳关键件 |
| 51CrMoV4 (1.7701) | 铬钼钒弹簧钢 | EN 10089 | 1600–1900 | 1500–1700 | 206 | 250 | 差，需涂层 | 高载荷、高疲劳寿命 |
| X10CrNi18‑8 (1.4310) | 奥氏体不锈钢 | DIN EN 10151 | 1200–1400 | 900–1100 | 190 | 300 | 优良 | 化工、食品、医疗、耐蚀 |
| X5CrNiMo17‑12‑2 (1.4401) | 奥氏体不锈钢 | DIN EN 10088 | 1100–1300 | 800–1000 | 190 | 300 | 极佳 | 海洋、强腐蚀环境 |
| X39CrMo17‑1 (1.4122) | 马氏体不锈钢 | DIN EN 10088‑3 | 1400–1600 | 1200–1400 | 215 | 350 | 良好 | 高强耐蚀、高温 |
| Inconel 718 (2.4668) | 镍基高温合金 | ASTM B637 | 1300–1500 | 1100–1200 | 208 | 600–700 | 极佳 | 航空、涡轮、极端高温 |
| Inconel X‑750 (2.4669) | 镍基高温合金 | ASTM B637 | 1200–1400 | 900–1050 | 214 | 600–700 | 极佳 | 高温弹簧、核电 |
| CuBe2 (2.1247) | 铍铜 | DIN EN 1652 | 1100–1300 | 800–1000 | 130 | 200 | 优良 | 无磁、导电、防爆场合 |
3. 疲劳分组与材料关系
DIN 2093 根据截面厚度 $t$ 将碟簧分为三组，不同组的疲劳极限应力幅 $\sigma_A$ 不同。该分组适用于上述淬火回火弹簧钢（如 50CrV4），不锈钢和高温合金的疲劳极限需查阅各自的标准或试验数据。
| 疲劳组 | 厚度范围 $t$ (mm) | 典型材料 | 拐点循环数 $N_D$ | 许用应力幅 $\sigma_A$ (MPa) |
|---|---|---|---|---|
| Group 1 | $t \le 1.25$ | C75S, 50CrV4, 1.4310 | $10^7$ | 600–800 |
| Group 2 | $1.25 < t < 3.0$ | 50CrV4, 51CrMoV4 | $10^6$ | 400–600 |
| Group 3 | $t \ge 3.0$ | 50CrV4, 51CrMoV4 | $2 \times 10^5$ | 200–400 |
注：以上 $\sigma_A$ 为喷丸处理后的参考值，具体应以 DIN 2093 标准图或制造商数据为准。不锈钢碟簧通常不喷丸或轻度喷丸，疲劳极限低于同厚度弹簧钢。
4. 温度适应性参考
| 材料 | 弹性模量降额规律 | 建议长期使用温度上限 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 碳素弹簧钢 (C75S) | $E(T) \approx E_{20}[1 - 2\times10^{-4}(T-20)]$ | 200°C | 超过 150°C 松弛加速 |
| 铬合金弹簧钢 (50CrV4) | 同上 | 250°C | 高温下 $R_{p0.2}$ 下降，按温度降额 |
| 奥氏体不锈钢 (1.4310) | $E(T) \approx E_{20}[1 - 2.4\times10^{-4}(T-20)]$ | 300°C | 耐腐蚀，但屈服强度较低 |
| 马氏体不锈钢 (1.4122) | 类似弹簧钢 | 350°C | 可热处理，强度高 |
| 镍基合金 (Inconel 718) | 热稳定性极佳 | 600°C+ | 松弛极小，适用于极端高温 |
5. 表面处理与防护
| 处理方式 | 适用材料 | 目的 | 对疲劳的影响 |
|---|---|---|---|
| 磷化 + 涂油 | 弹簧钢 | 减摩、防锈 | 疲劳极限基本不变或略升（改善表面） |
| 喷丸强化 | 弹簧钢 | 引入残余压应力，提高疲劳强度 | 可提高 20%–40% 疲劳极限 |
| 达克罗/锌镍涂层 | 弹簧钢 | 耐腐蚀 | 若涂前喷丸，疲劳保持；涂层过厚可能降低 |
| 钝化 | 不锈钢 | 增强耐蚀性 | 无影响 |
| 干膜润滑剂 | 均可 | 降低摩擦，稳定滞回 | 无显著影响 |
6. 选材建议
- 常规高载荷、高疲劳：首选 50CrV4 或 51CrMoV4，喷丸强化。
- 成本敏感、载荷适中：C75S，配合磷化润滑。
- 耐腐蚀环境：1.4310 不锈钢，力学性能略低，需加大尺寸或降额使用。
- 高温 (>300°C)：必须选用 Inconel 718 等高温合金。
- 无磁或导电要求：CuBe2 铍铜。
- 选用前务必获取材料的保证屈服强度 $R_{p0.2}$ 及疲劳极限数据，尤其是用于关键安全件的碟簧。
总结：DIN 2093 碟形弹簧的材料以铬合金弹簧钢为主，通过热处理和喷丸获得最佳疲劳性能。不锈钢和高温合金扩展了碟簧在腐蚀和高温领域的应用。设计时需根据工作温度、载荷、环境与寿命要求，结合材料性能表选择最经济且可靠的材料。