彈(dàn)簧是一般機(ji)械不可缺少(shao)的零件，它在(zai)工作過程‼️中(zhōng)起到緩沖🤩平(ping)衡、儲存能量(liang)、自動控制、回(huí)位定位、安全(quán)保險等作用(yòng)㊙️。彈簧在使用(yòng)過程中常因(yīn)各種原因導(dǎo)緻失效而引(yǐn)起機械故障(zhang)。為👈此，有必要(yao)讨論引起彈(dan)簧失效的原(yuán)因及預防措(cuo)施。
導緻彈簧(huáng)失效的主要(yào)因素有材料(liào)缺陷，加工制(zhì)造缺陷，熱處(chù)理不當，表面(mian)處理不當，工(gong)作環境因素(sù)等。通過對近(jìn)幾年21個彈簧(huang)失效案例的(de)彙總分析，彈(dàn)簧表面缺陷(xiàn)，包括碰撞磕(kē)痕、微動🏃♂️磨損(sun)、凹坑等造成(cheng)彈🈚簧失效的(de)比例最大🥰，占(zhàn)50%；另外還有裂(liè)紋占有20%；夾雜(zá)、疏松13%；脫碳、熱(re)處理、表面強(qiang)化分别占3%左(zuo)右。彈簧失效(xiao)可由一種原(yuán)因引🈲起，也可(kě)由幾種原因(yin)因素綜合作(zuo)用所緻。因此(ci)，對彈簧的失(shī)效分析必須(xū)先對實例的(de)失效現象進(jin)行種種調♋查(chá)分析，弄清楚(chǔ)其💯失🐇效模式(shì)，然後找出其(qi)失效的原因(yīn)因素，從而提(ti)出改進措施(shī)。
一、彈簧原材(cái)料引起的彈(dàn)簧失效:
1、由于(yú)鋼的冶煉方(fāng)法不同，會使(shi)鋼中存在不(bú)同程度造成(chéng)彈🚩簧早期疲(pi)勞失效的夾(jiá)雜物，夾雜物(wu)過量或🐉尺寸(cun)過大‼️，均勻🔞度(du)不好都會影(yǐng)響材料的力(li)學性能，容易(yì)早期疲勞🏃🏻失(shi)效。
實例：某公(gong)司一件型号(hào)為SY6480（Ф22mm）的車輛懸(xuán)架用扭杆彈(dan)簧，在新車出(chu)庫時便發生(shēng)斷裂，分析認(ren)為斷裂起源(yuan)于彈簧亞表(biao)面存在的一(yi)個粗大脆性(xing)夾雜物（如圖(tu)1，圖🈲2(圖1的放🔞大(da)圖)）。
預防措施(shi)：彈簧材料必(bi)須有優良的(de)冶金質量，如(rú)嚴格控制化(huà)學成分、高純(chun)淨度，較低夾(jiá)雜物含量，同(tong)時⚽還要🍓求材(cai)料成分和組(zu)織的均勻性(xìng)和穩定性。為(wéi)了⭐降低鋼中(zhōng)有害氣體和(hé)雜質元素，提(tí)高🌈鋼的純淨(jìng)度，應采用真(zhen)空冶煉及電(dian)渣重熔等精(jīng)煉技術。
2、軋制(zhì)過程可能引(yǐn)起的缺陷：殘(cán)餘縮管及中(zhōng)心裂紋；折疊(die)🥰缺陷（如圖3）；線(xiàn)狀缺陷、劃痕(hen)；表面鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔🔴皮狀(zhuang)表面、麻坑；這(zhe)些都可能導(dǎo)緻彈簧失效(xiao)。所以鋼廠應(ying)盡㊙️量避免和(he)消除軋制過(guo)程中産生的(de)缺陷，彈簧廠(chǎng)應加🤞強對彈(dan)簧原材料質(zhi)量檢查，盡量(liang)采用表🈲面質(zhi)量好的材料(liao)。
冷成形螺旋(xuán)彈簧在卷簧(huang)時由于卷簧(huang)過程中工藝(yi)裝備不良或(huò)調整操作不(bu)當會産生彈(dan)簧的表面缺(que)陷。如‼️自動卷(juàn)簧機上切斷(duan)彈簧時切刀(dāo)就有可能插(cha)傷鄰近彈簧(huang)圈鋼絲的内(nèi)表面♉。熱成形(xing)彈簧由于熱(re)成形加熱溫(wēn)度過高彈簧(huáng)表面産生桔(ju)皮狀缺陷，使(shi)☂️彈簧疲勞壽(shòu)命大幅度降(jiang)低。或者，熱成(chéng)形時，由于加(jiā)🈲熱溫度過低(di)🚶，鋼的塑性不(bú)夠，熱成形過(guo)程中彈簧表(biǎo)面應力超過(guò)材料強度極(jí)限會産生♉裂(lie)紋[1]。所以在制(zhì)🛀🏻造過程中也(ye)要加強🔞對彈(dàn)簧表面質量(liàng)🐕檢查，盡量避(bi)免表面缺陷(xian)的産生。
二、制(zhi)造過程中引(yǐn)起的彈簧失(shī)效:
冷成形螺(luo)旋彈簧在卷(juan)簧時由于卷(juàn)簧過程中工(gong)藝裝備不良(liáng)或🌈調整操作(zuo)不當會産生(shēng)彈簧的表面(mian)缺陷。如自動(dòng)卷簧機上切(qie)斷彈簧時切(qie)刀就有可能(neng)插傷鄰近🈚彈(dan)簧圈鋼絲的(de)内表面。熱成(chéng)形彈簧由于(yu)熱成形加熱(re)💛溫度過高彈(dàn)簧表面産生(shēng)桔皮狀缺陷(xian)，使彈簧疲勞(láo)壽🚶♀️命大幅度(dù)降低。或者，熱(re)成形時，由于(yu)加熱溫度過(guò)低🤩，鋼的塑性(xing)不夠，熱成形(xing)過程中彈簧(huang)表面應力超(chāo)過材料強度(du)極限會産生(shēng)裂紋。所以在(zài)制造過程中(zhong)也要加強對(duì)彈簧表面質(zhì)量檢查，盡量(liang)避免表面缺(quē)陷的産生。
三(sān)、熱處理工藝(yì)缺陷造成的(de)彈簧失效:
彈(dàn)簧在加熱或(huo)冷卻期間表(biao)面和中心溫(wēn)度分布不均(jun1)勻會引🔞起熱(rè)應力，相變的(de)過程會造成(cheng)組織應力,其(qi)總值超過材(cai)料的強度✉️極(jí)限時會導緻(zhì)開裂。這種缺(que)陷多見于尺(chǐ)寸較大🍓的在(zai)水中淬火🚶的(de)彈簧,其裂紋(wén)産生後無法(fǎ)修複隻能報(bào)廢。另外原材(cai)料的缺陷，如(ru)鋼中的殘🔴餘(yu)縮孔、白點⛱️、冷(leng)加工刀痕、冷(lěng)拉和熱軋過(guò)程中的劃痕(hen)、折疊等缺陷(xiàn)，都會造成淬(cuì)火時💋的應力(lì)集中而開裂(lie)。如圖4所示即(jí)為某公司彈(dàn)簧由于最初(chu)🛀🏻的表面上的(de)短淺♊折疊裂(liè)紋，在淬火熱(rè)處理時，該裂(liè)紋沿徑向擴(kuo)展至3.9mm，在做疲(pi)勞試驗時，它(tā)首先擴展，直(zhi)至達到臨界(jie)尺寸而引起(qi)彈簧的瞬時(shi)破斷。熱處理(li)不當産生的(de)非正常組🛀織(zhi)💯如粗大的淬(cuì)火馬氏體；先(xian)共析鐵素體(tǐ)或遊離鐵素(su)體；碳化物偏(pian)析；彈簧的熱(rè)處理變形；表(biǎo)面氧化與脫(tuo)碳都💜會造成(chéng)彈簧失效。
實(shi)例:某廠60Si2MnA熱成(chéng)型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫(wen)度900～950℃卷制成型(xing),卷後一次淬(cui)火,470～490℃回火。裝車(chē)使用後彈簧(huang)連續幾次發(fa)生早期失效(xiao)。對已失☔效的(de)彈簧🔞進行檢(jian)查,發現個别(bie)彈簧出現淬(cui)火裂紋,經爐(lú)氣成分分析(xi)發🔴現,大約有(yǒu)一個月煤氣(qi)成分不當,發(fa)熱量偏高,使(shi)爐溫過高,個(ge)别彈簧過熱(rè),奧氏體晶粒(lì)粗大,水中淬(cui)火後出現淬(cuì)火裂紋,由💋于(yú)水的冷卻能(neng)力很強,在奧(ào)氏體向馬氏(shi)體轉變溫💚度(dù)區，彈簧😘表面(miàn)與心部溫差(cha)增大，因馬氏(shi)體相變的先(xian)後不同,引起(qi)很大的組織(zhi)應力,因而出(chū)現裂紋。
預防(fang)措施：除嚴格(gé)控制好加熱(rè)溫度、保溫時(shí)間外，控制爐(lu)内氣氛💚是很(hěn)重要的，定期(qī)分析加熱煤(méi)氣成分⭐,保證(zheng)熱量供應正(zheng)常❄️；為了減少(shao)變形,杜絕淬(cui)火開裂，除了(le)尺寸過大的(de)熱成形彈簧(huang)外,一般熱成(chéng)形彈簧采用(yòng)在油中冷卻(que)。
四、表面處理(lǐ)工藝不當造(zào)成的彈簧失(shī)效:
1、表面噴丸(wán)強化工藝，噴(pēn)丸強化設備(bei)、工藝方法及(jí)操作🔴水平對(dui)噴丸強化有(yǒu)很大的影響(xiang)，如果制造者(zhe)不把噴丸工(gong)藝當作一個(gè)重🥵要的強化(huà)工藝，充分注(zhù)意噴丸工藝(yì)的控制，也不(bú)進行工藝效(xiào)果的必要檢(jiǎn)測㊙️，那麼噴丸(wán)處理有可能(néng)得不到它應(ying)有的強化效(xiào)果，甚至可能(neng)成為彈簧發(fa)生早期失效(xiào)的誘因。
實例(li)：某廠進口的(de)彈簧原材料(liao)，是經滲氮表(biao)面處理的，表(biao)面✂️硬度較高(gao)，經噴丸處理(li)後，導緻表面(mian)産生裂紋而(ér)最終斷裂。所(suǒ)以針對不同(tong)的材料，經不(bú)同的工藝處(chu)理後，要選擇(zé)的合适的噴(pēn)丸工藝。
2、電鍍(du)時彈簧表面(mian)及鍍層中富(fu)含的氫氣，如(rú)不能得到及(jí)時🌈和❌充分的(de)清除，可導緻(zhì)彈簧在工作(zuò)時的氫緻滞(zhi)後斷裂而失(shī)效。有時在氧(yang)化處理或磷(lin)化處理前，為(wéi)了🌍去除彈簧(huáng)表面的氧化(hua)皮和鏽迹，需(xū)進行酸洗。當(dāng)酸洗過度造(zào)成氫大量滲(shèn)入零件内部(bù)，而又未💃🏻能及(ji)時和充分的(de)除氫處理時(shi)，可導緻彈簧(huang)的氫脆🌈斷裂(lie)失效。
實例：直(zhi)徑0.6mm的70"冷拔碳(tàn)素彈簧鋼絲(si)鍍镉後，制成(chéng)中徑4.0mm扭♌轉彈(dàn)簧🔱，在裝配時(shi)發生斷裂。采(cai)用能譜分析(xi)(EDS)、金相分析和(he)掃描電鏡(SEM)對(dui)斷口💞進行了(le)宏觀和微觀(guān)檢測及分析(xī)。結果表明：彈(dan)簧在繞制過(guò)程中的殘餘(yú)拉應力以及(ji)在鍍前接觸(chù)了含氫介質(zhi)，緻使大量的(de)氫殘留并呈(cheng)彌散分布形(xing)态，進而形成(chéng)沿晶裂紋，在(zài)外力🏃♀️作用下(xià)，導緻彈簧沿(yán)晶脆性斷🧑🏽🤝🧑🏻裂(liè)。
五、工作條件(jian)對彈簧失效(xiao)的影響:
1、負載(zǎi)狀況對彈簧(huáng)失效的影響(xiǎng)
通用機械中(zhōng)受沖擊作用(yòng)的彈簧很多(duō)，如噴油泵之(zhi)柱塞彈😍簧🏃♀️。這(zhè)種彈簧常在(zai)第二、三圈處(chù)折斷，因為第(di)二、三圈首先(xiān)受☁️到沖擊載(zai)荷且不能足(zu)夠快地傳給(gěi)其它各圈，頭(tou)幾圈承受了(le)大部分沖擊(ji)，且比其各圈(quān)變形大得多(duo)。
設計者應考(kǎo)慮到動力效(xiào)應，盡可能避(bì)免一端的交(jiao)變運動與彈(dan)簧的自然頻(pin)率之一發生(shēng)共振。但有時(shi)共振現象無(wú)法避免，應力(li)幅度會增加(jia)5%以上，則要采(cǎi)取相應措施(shi)，例如采用✔️較(jiao)高的自然頻(pin)🍉率，使其不與(yu)低次諧波共(gong)振。設計合理(lǐ)的凸輪外形(xing),以降低工作(zuo)階段的節距(jù)。減少彈簧端(duan)部的節距,以(yǐ)改變沖擊時(shí)的自然頻率(lǜ)🌏；對彈簧中部(bù)增用摩擦強(qiang)迫阻尼。
嚴格(ge)說來，彈簧工(gong)作時，載荷不(bú)可能作用在(zai)幾何中心線(xiàn)上，會🏃🏻形成偏(pian)心載荷，總偏(piān)一個距離e，這(zhè)種負載👣偏心(xin)🈚要産生附加(jia)的應力，而使(shi)彈簧安全應(yīng)力顯著減小(xiǎo)，導緻彈簧🐕過(guò)早失效。另外(wai)彈簧運行之(zhi)初承受過載(zai)荷也非常危(wei)險，初期過載(zǎi)損傷的累積(ji)将降低🧑🏾🤝🧑🏼彈簧(huang)疲勞極限而(er)導緻早期疲(pí)勞斷裂。
2、環境(jìng)因素對彈簧(huang)失效的影響(xiǎng)
在腐蝕環境(jing)中承受交變(biàn)載荷将發生(sheng)腐蝕疲勞，由(you)于腐蝕❗環境(jìng)能加速疲勞(láo)的萌生和擴(kuò)展，因而會顯(xian)著降🤩低彈簧(huang)的疲勞壽命(mìng)。例如彈簧鋼(gāng)試樣在淡水(shuǐ)💃腐蝕下的持(chí)久極限僅是(shì)大氣中的10%～25%。
實(shi)例：對某電廠(chǎng)汽輪機主汽(qi)門操縱座彈(dàn)簧的斷裂失(shi)效進行了分(fen)析。結果表明(ming)：彈簧材料化(hua)學成分及🏃🏻♂️組(zu)織✨都符合國(guo)家标準，導緻(zhi)其早期疲勞(láo)斷裂的主要(yào)原因是彈簧(huáng)表面的腐蝕(shí)坑（如圖5，圖6）；腐(fu)蝕坑是在彈(dan)簧使用⛱️前的(de)放置過程中(zhōng)形成的，改善(shàn)☁️彈簧放置💃環(huán)境和縮短👣放(fang)置時間可以(yi)避免腐蝕坑(keng)的産生。
在彈(dan)簧類零件中(zhōng)，如螺旋壓縮(suo)彈簧的兩個(gè)端圈，拉伸✊彈(dan)簧的彎鈎，扭(niu)杆的固定端(duān)，闆簧的片與(yu)片之間都可(kě)能産生微動(dòng)磨損（如圖7，圖(tu)8）。某公司的離(li)合器減振彈(dàn)簧✂️在疲勞✊試(shì)驗中斷裂，經(jīng)分析彈簧多(duo)處受到♻️外力(lì)碰撞摩擦，造(zao)成彈簧過渡(dù)圈的接觸帶(dài)位置發✌️生偏(pian)移，使得微振(zhèn)磨損不💯隻發(fā)生在一個平(ping)面上，造🌈成不(bu)同微振磨損(sun)平面的交叠(dié)，導緻平面相(xiàng)交處的💋應力(li)集中，導緻斷(duan)裂。
預防措施(shī)：可采取用抗(kàng)腐蝕的材料(liào)或者在彈簧(huáng)表面形成一(yi)🌐個保護層的(de)表面處理方(fāng)法來解決。
3、微(wei)動磨損及碰(peng)撞磕痕、凹坑(kēng)
預防措施：除(chú)消除振動和(hé)改進結構設(she)計外，采用各(ge)種表☔面處理(lǐ)如離子注入(ru)，化學熱處理(li)以及噴丸、滾(gǔn)🏃壓等表面硬(ying)化工藝，提高(gāo)表面的耐磨(mó)和疲勞性能(néng)，可以提高其(qi)抵抗微動磨(mó)損的能力。而(er)降低表面的(de)🙇♀️摩擦系數即(ji)通過潤滑方(fāng)式包括固體(ti)、半固體、及液(ye)⛷️體也可以減(jian)💃緩微動損傷(shāng)的進程。
彈簧(huang)因為表面磕(kē)痕、凹坑等引(yǐn)起彈簧失效(xiào)的情況很❓多(duō)🛀🏻，在失效件中(zhong)占很大比例(li)。如某公司離(lí)合器從動盤(pán)彈簧由于♌彈(dan)簧表面存在(zai)的嚴重磕傷(shang)而導緻它過(guò)早疲勞斷裂(lie)（如圖💃🏻9，圖10）。這種(zhǒng)表面缺陷可(ke)能發生❤️在彈(dàn)簧制造過程(cheng)中🐪，也可能在(zai)使用過程📱中(zhōng)磕碰産🔞生，制(zhì)造過程前面(miàn)已述，而❤️在使(shi)用過程👄，使用(yòng)者要檢查使(shǐ)用環境，避免(mian)彈簧受碰撞(zhuàng)等。
4、工作溫度(dù)的影響
因不(bu)同的材料有(you)不同的耐熱(rè)性能，溫度升(sheng)高時，金屬會(hui)受熱❌膨脹，尺(chi)寸的相應變(bian)化會改變彈(dàn)簧的各種性(xìng)能。不💋僅如此(cǐ)，彈簧的彈性(xìng)模量E和切變(bian)模量G下降，因(yīn)此，即使在載(zai)荷不💃🏻變的條(tiao)件下，彈簧的(de)變形量将增(zēng)大。而且，在應(ying)力、溫度和時(shí)間的共同作(zuò)用下，變形和(he)松弛将是彈(dàn)簧失效的一(yī)個重要模式(shi)。
實例：采用琴(qín)鋼絲制造的(de)壓縮機閥簧(huang)，如長時間在(zài)160℃以🔞上工作，由(you)于應力松弛(chí)和高度的減(jian)小，幾乎所有(yǒu)🐉閥簧都被壓(yā)縮在閥座孔(kǒng)内，喪失了閥(fá)簧的工作性(xing)能而失效。
低(dī)溫與高溫條(tiáo)件相反，低溫(wen)會使材料的(de)彈性模量、硬(yìng)度及強度增(zēng)加，但其塑性(xing)和韌性下降(jiàng)，特别是當溫(wēn)度㊙️低于🎯該材(cai)料的冷脆轉(zhuan)變溫度時，材(cái)料的脆性将(jiāng)非常嚴重，例(lì)😘如，在零下40℃時(shi)，在🔅沖擊載荷(he)條件下工作(zuò)的彈簧往往(wang)會碎成幾段(duan)。
