高品质线材是汽车、能源、航空等高端装备的基础零部件材料,高强度汽车用悬架弹簧钢丝更是作为线材当中的精品。尽管国内相关研究单位和企业经过多年的努力在高品质线材方面取得了一些重要进展,但是与国际先进水平相比还存在较大差距。根据高强度弹簧钢的性能要求,综合碳及各合金元素对钢组织和性能的影响,结合Thermo-Calc软件热力学计算结果,本文主要研究了钒以及碳的质量分数对高强钢的影响,在55SiCr弹簧钢的基础上,对高强弹簧钢成分进行了优化设计。使用真空感应炉和二硅化钼炉冶炼9组实验钢。通过洛氏硬度计、万能材料拉伸实验机、冲击试验机、金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等测试分析手段研究不同成分优化配比与热处理工艺对所设计合金钢组织和力学性能的影响规律与机理。研究结果表明,钢中钒的加入对强度和韧性的改善主要是由于钒起到了细晶强化和析出强化的作用。880℃保温30分钟后油淬,之后450℃回火,1#～5#钢金相组织均为回火索氏体,且晶粒细化程度逐渐提高,抗拉强度、屈服强度断面收缩率和断后伸长率都呈上升趋势,4#钢抗拉强度较1#钢提高了 97MPa、屈服强度提高了 113MPa。9#钢较7#钢在强度提高的前提下,断面收缩率和断后伸长率略有降低,可见适当增加碳质量分数是继续提高高强弹簧钢强度的一种手段,该回火温度下细晶强化和析出强化共同提高了钢的强度和韧性。350℃回火后,1#～5#钢金相组织由一定量的未转变完的板条马氏体、较多的片状马氏体以及回火托氏体组成,未转变的马氏体数量较多是该回火温度下强度都大幅度提高的的主要原应,但是由于V的加入细化了晶粒,在越细小的晶粒内,马氏体片越小,纤维裂纹越少,对韧性的损害就越小。在强度大幅度提高的前提下,4#钢的断面收缩率达到了 38.8%,断后伸长率达到了 10.3%,韧性得到了极大改善,5#与4#的数据基本一致,该回火温度下细晶强化显著提高了钢韧性。通过透射电镜分析,在奥氏体区生成的VC优先在奥氏体晶界析出,为奥氏体向铁素体转变提供了形核质点,使铁素体晶粒得到细化,在晶界位置析出的VC起到了细晶强化的作用,且在晶界处析出的VC析出温度较高,尺寸较大,在30～50nm左右;由于高强弹簧钢中C质量分数较高,在奥氏体完全转变为铁素体之后,由于仍然有足够的析出驱动力促使形核,则继续在晶内析出VC,此时析出的VC主要起到析出强化的作用,在晶内析出的的VC和其它MC型碳化物析出温度较低,尺寸较小,在20nm左右。V质量分数的增加,使得纳米级VC的析出更加弥散,平均间距更小。随着C质量分数的继续提高,析出强化效果继续增强。最终得到在55SiCr钢的基础上进行高强弹簧钢合金的优化设计的最佳钒的加入量为0.15%。将C的适量分数提高到0.65%会进一步提高钢的强度。加入钒的55SiCr钢的回火温度可在55SiCr钢的标准热处理回火温度基础上适当降低,以达到提高强度的目的。