彈簧是一(yi)般機械不可缺少(shao)的零件，它在工作(zuo)過程中起到緩沖(chong)平衡、儲存能量、自(zì)動控制、回位定位(wèi)、安全保險等🐪作用(yong)。彈簧在使用過程(chéng)中常因各種原因(yin)導緻失效而引起(qǐ)機械故障。為此，有(yǒu)必要讨論引起彈(dàn)簧失效的原因及(ji)預防措施。
導緻彈(dàn)簧失效的主要因(yīn)素有材料缺陷，加(jia)工制造缺陷，熱處(chu)理不當，表面處理(lǐ)不當，工作環境因(yīn)素等🎯。通過🚶對近幾(jǐ)年21個彈簧失效案(àn)例的彙總分析，彈(dàn)簧表面缺陷，包括(kuo)碰撞磕痕、微動磨(mó)損、凹坑等造成彈(dan)簧失效的比例最(zuì)大，占50%；另外還有裂(lie)紋占🤟有20%；夾雜、疏松(song)13%；脫碳、熱處理、表面(mian)強化分别占3%左右(yòu)。彈簧失效可由一(yi)種原因引起，也可(kě)由幾種原因因素(sù)綜合作用所緻。因(yin)此，對彈簧的失效(xiào)分析必須先對實(shí)例的失效現象進(jin)行種種調👌查分析(xī)，弄清楚其🌈失效模(mó)式，然🔞後找出其☂️失(shī)效的原因因素，從(cóng)而提出改進措施(shi)。
一、彈簧原材料引(yin)起的彈簧失效:
1、由(yóu)于鋼的冶煉方法(fǎ)不同，會使鋼中存(cún)在不同程度造成(chéng)彈簧早期疲勞失(shi)效的夾雜物，夾雜(zá)物過量或尺寸過(guo)大，均勻度不好都(dōu)會影響材料的力(li)學性能，容易早期(qi)疲勞失效。
實例：某(mǒu)公司一件型号為(wei)SY6480（Ф22mm）的車輛懸架用扭(niǔ)杆彈簧，在新車出(chū)🧡庫時便發生斷裂(lie)，分析認為斷裂起(qǐ)源于彈簧亞表面(mian)存在的一個粗大(dà)脆性夾雜物（如圖(tú)1，圖2(圖1的放大圖)）。
預(yù)防措施：彈簧材料(liào)必須有優良的冶(yě)金質量，如嚴格控(kong)🆚制化學成分、高純(chún)淨度，較低夾雜物(wù)含量，同時還要求(qiú)材🚶♀️料成分和組織(zhī)的均勻性和穩定(dìng)性。為了降低鋼✔️中(zhōng)有害氣體和📐雜質(zhi)元素，提高鋼的純(chun)淨度，應采用真空(kōng)冶煉及電渣重熔(rong)等精煉技💘術。
2、軋制(zhi)過程可能引起的(de)缺陷：殘餘縮管及(ji)中心裂紋；折疊🔞缺(quē)陷（如圖3）；線狀缺陷(xian)、劃痕；表面鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔皮狀⭐表面(mian)、麻坑；這些都可能(néng)導緻彈簧失效。所(suǒ)以鋼廠應盡量避(bì)免和消除軋制過(guò)程中産生的缺陷(xiàn)，彈簧廠應加強對(duì)彈簧🔴原材料質量(liàng)檢查，盡量采用表(biǎo)面質量好的材料(liao)。
冷成形螺旋彈簧(huang)在卷簧時由于卷(juàn)簧過程中工藝裝(zhuāng)備不良或調整操(cao)作不當會産生彈(dan)簧的表面缺陷。如(rú)自動卷簧機上切(qiē)斷彈簧時切刀就(jiù)有可能插傷鄰近(jin)彈簧圈鋼絲的内(nèi)表面。熱成形彈簧(huang)由于熱成形加熱(rè)溫度過高彈簧表(biǎo)面産生桔皮狀缺(que)陷，使彈簧疲勞壽(shòu)命大幅度降低。或(huò)者，熱成形時，由于(yú)加熱溫度過低，鋼(gāng)的塑性不夠，熱成(cheng)形過程中彈簧表(biǎo)面應力超過材料(liào)強度極限會産生(shēng)💃裂紋[1]。所以在制造(zào)過程中也要加強(qiang)對彈簧表面質量(liàng)檢❤️查，盡量避🔞免表(biǎo)面缺陷的産生。
二(er)、制造過程中引起(qǐ)的彈簧失效:
冷成(cheng)形螺旋彈簧在卷(juàn)簧時由于卷簧過(guo)程中工藝裝備⛷️不(bu)良或調整操作不(bú)當會産生彈簧的(de)表面缺陷。如自動(dong)卷簧機上切斷彈(dan)簧時切刀就有可(kě)能插傷鄰近彈簧(huang)圈鋼絲的内表面(miàn)。熱成形彈簧由于(yu)熱♻️成形加熱溫度(du)過高彈簧表面産(chan)生桔皮狀缺陷，使(shi)彈簧疲勞壽命大(da)幅度降低。或者，熱(rè)成形時，由于加熱(rè)溫度過低，鋼的塑(sù)性不夠，熱成形過(guò)程中彈簧表面應(yīng)力超☂️過材料🌈強度(du)極限會産生☂️裂紋(wén)。所以在制造過程(chéng)中也要加強對彈(dan)簧表面質量檢👄查(chá)，盡量避免表面缺(quē)陷的産生。
三、熱處(chù)理工藝缺陷造成(cheng)的彈簧失效:
彈簧(huang)在加熱或冷卻期(qī)間表面和中心溫(wen)度分布不均勻⛹🏻♀️會(hui)引起熱應力，相變(bian)的過程會造成組(zu)織應力,其總值超(chāo)🔅過材料的強度極(ji)限時會導緻開裂(lie)。這種🥰缺陷多見于(yu)尺寸較大的在水(shui)中淬火㊙️的彈簧,其(qí)裂紋産生後無法(fa)修複隻能報廢。另(ling)外原材📞料的缺陷(xiàn)，如鋼中的殘餘縮(suo)孔、白點、冷加工刀(dao)痕、冷拉和熱軋過(guo)程中的劃痕、折疊(dié)等缺陷，都會造成(cheng)淬火時的應力集(ji)中而開裂。如圖4所(suo)示即為某公司彈(dàn)簧由于最初📞的表(biao)面上的短淺折疊(die)裂紋，在淬火熱處(chu)理時，該裂紋沿徑(jìng)向擴展至3.9mm，在做疲(pí)勞🔴試驗時，它首先(xiān)🍉擴展，直至達到臨(lin)界尺寸而引起彈(dan)簧的瞬時🧑🏾🤝🧑🏼破斷。熱(re)處理不當産生的(de)非正常組織如粗(cu)大的淬火馬氏體(ti)；先共析鐵素體或(huò)遊離鐵🌈素體；碳🏒化(huà)物偏析；彈簧的熱(rè)處理變形；表面氧(yǎng)化與脫碳都會造(zao)成彈簧失效。
實例(lì):某廠60Si2MnA熱成型彈簧(huang),d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制成型(xíng),卷後一次淬火🈚,470～490℃回(hui)火。裝車使用後彈(dan)簧連續幾次發生(shēng)早期失效。對💛已失(shi)效的彈簧進行檢(jian)查,發現個别彈簧(huang)出現淬火裂紋,經(jīng)爐氣成分分析發(fa)現,大約有一個月(yue)煤⛹🏻♀️氣成分不當,發(fa)熱量偏高,使爐溫(wēn)過高,個别彈簧過(guò)熱,奧氏體晶粒粗(cu)大,水中淬火後出(chu)現💁淬火裂紋,由于(yu)水的冷卻能力很(hen)強,在奧氏體向馬(ma)氏體轉變溫⭕度區(qū)，彈簧😍表面與心部(bù)溫差增大，因👉馬氏(shì)體相變的先㊙️後不(bú)同,引起很大的組(zǔ)織應力,因而出現(xiàn)裂紋。
預防措施：除(chu)嚴格控制好加熱(rè)溫度、保溫時間外(wài)，控制爐内氣氛是(shi)很重要的，定期分(fèn)析加熱煤氣成分(fèn)☔,保證熱量❤️供應正(zhèng)常✔️；為了💰減少變形(xing),杜絕淬火開裂，除(chu)了尺⛹🏻♀️寸過大的熱(rè)成✏️形彈簧外,一般(bān)熱成形彈簧采用(yòng)在油中冷卻。
四、表(biǎo)面處理工藝不當(dāng)造成的彈簧失效(xiào):
1、表面噴丸強化工(gong)藝，噴丸強化設備(bei)、工藝方法及操作(zuò)水平對噴丸強化(hua)有很大的影響，如(rú)果制造者不把噴(pen)🙇♀️丸工🙇🏻藝當作一個(gè)重要的強化工藝(yì)，充分注意噴丸工(gōng)藝的控制，也不🐆進(jìn)行工藝效果的必(bì)要檢測，那麼噴丸(wán)處理有可能得不(bu)到它應有的強化(huà)效果，甚至可能成(cheng)為彈簧發生早期(qi)失效的誘因。
實例(li)：某廠進口的彈簧(huáng)原材料，是經滲氮(dàn)表面處理的💃，表面(mian)硬度較高，經噴丸(wan)處理後，導緻表面(mian)産生裂紋而最終(zhōng)斷裂⭐。所以針對不(bú)同的材料，經不同(tong)的工藝處理後，要(yao)選擇的合适的噴(pen)丸工藝。
2、電鍍時彈(dan)簧表面及鍍層中(zhong)富含的氫氣，如不(bu)能得⁉️到及🍓時和充(chong)分的清除，可導緻(zhi)彈簧在工作時的(de)氫緻滞✌️後斷裂而(er)失效。有時🐅在氧化(hua)處理或磷化處理(li)前，為了去除彈簧(huang)表面🌈的氧化皮和(hé)鏽🔅迹，需進行酸洗(xǐ)。當酸洗🔴過度造成(chéng)氫大量滲🐇入零件(jian)内🏃♂️部，而又未能及(jí)時和充分的除氫(qīng)處理時，可導緻彈(dan)簧的氫脆斷裂失(shī)效。
實例：直徑0.6mm的70"冷(leng)拔碳素彈簧鋼絲(sī)鍍镉後，制成中徑(jìng)🤩4.0mm扭轉彈🚶簧，在裝配(pèi)時發生斷裂。采用(yong)能譜分析(EDS)、金相分(fèn)析和掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進行了宏觀(guan)和微觀檢測及分(fen)析。結果表明：彈簧(huáng)🐉在繞制過程中的(de)殘餘拉應力以及(ji)在鍍前接觸🔴了含(han)氫介質，緻使大量(liàng)的氫殘留并呈彌(mí)散分布形态，進而(er)形成沿晶🐪裂紋，在(zài)外力作用下，導緻(zhi)彈簧沿晶脆性斷(duan)裂。
五、工作條件對(duì)彈簧失效的影響(xiang):
1、負載狀況對彈簧(huáng)失效的影響
通用(yòng)機械中受沖擊作(zuo)用的彈簧很多，如(rú)噴油泵之柱塞彈(dàn)簧。這種彈簧常在(zài)第二、三圈處折斷(duàn)，因為第二、三圈首(shou)🤟先受到沖擊載❤️荷(hé)且不能足夠快地(di)傳給其它各圈，頭(tou)幾圈承受了大部(bu)分沖擊，且比其各(gè)圈變形大得多。
設(shè)計者應考慮到動(dong)力效應，盡可能避(bi)免一端的交變運(yùn)動與彈簧的自然(ran)頻率之一發生共(gong)振。但有時共振現(xiàn)象無法📱避免，應力(lì)幅度會增加5%以上(shang)，則要采⭕取相應措(cuo)施，例💘如采用較高(gao)的自然頻率，使其(qi)不與低次諧波共(gong)振。設計合理的凸(tu)輪外形,以降低工(gōng)作階段的節距。減(jiǎn)少彈簧端部的節(jiē)距,以改變沖擊時(shi)的自然頻率☎️；對彈(dàn)簧中部增用摩擦(cā)強迫阻尼。
嚴格說(shuo)來，彈簧工作時，載(zǎi)荷不可能作用在(zài)幾何中心❗線🎯上，會(hui)形成偏心載荷，總(zong)偏一個距離e，這種(zhong)負載偏心要産🔴生(sheng)附加的應力，而使(shi)彈簧安全應力顯(xiǎn)著減小，導緻彈簧(huáng)過早失效。另外彈(dan)簧運行之初承受(shòu)過載荷也🈲非常危(wēi)險，初期過載♌損傷(shang)的累💔積将降低♈彈(dan)簧疲勞極限而導(dao)緻早期疲勞斷裂(liè)。
2、環境因素對彈簧(huang)失效的影響
在腐(fu)蝕環境中承受交(jiao)變載荷将發生腐(fu)蝕疲勞，由🧑🏽🤝🧑🏻于🚩腐蝕(shi)環境能加速疲勞(lao)的萌生和擴展，因(yīn)而會顯著降‼️低彈(dàn)簧的疲勞壽命。例(li)如彈簧鋼試樣在(zai)淡水腐蝕下的持(chi)久極限僅是大氣(qi)⁉️中的10%～25%。
實例：對某電(diàn)廠汽輪機主汽門(men)操縱座彈簧的斷(duàn)裂🧡失效進行了分(fèn)析。結果表明：彈簧(huáng)材料化學成分及(ji)組織都符合國家(jia)标準，導緻其早期(qi)疲勞斷裂的主💋要(yao)原因是彈簧表面(mian)的腐蝕坑（如圖5，圖(tú)6）；腐蝕坑是在💛彈簧(huang)使用🈲前的放置🛀過(guo)程中形成的，改善(shan)彈簧放置🐕環境和(he)縮短放置時間可(kě)以避免腐蝕坑的(de)産生。
在彈簧類零(ling)件中，如螺旋壓縮(suo)彈簧的兩個端圈(quān)，拉伸🤞彈✉️簧🎯的👈彎鈎(gou)，扭杆的固定端，闆(pan)簧的片與片之間(jian)都可能産生微動(dòng)磨損（如圖7，圖8）。某公(gong)司的離合器減振(zhèn)彈簧♊在疲勞試驗(yàn)中斷裂，經分析彈(dan)簧多處受到👨❤️👨外力(lì)碰撞摩擦，造成彈(dàn)簧過渡圈的接觸(chu)✍️帶位置發📱生偏移(yi)，使得微振磨損不(bu)隻發生在一個平(ping)面上，造🤩成不同微(wēi)振磨損平面的交(jiao)叠，導緻平面相交(jiāo)處的應力集中，導(dǎo)緻斷裂。
預防措施(shī)：可采取用抗腐蝕(shí)的材料或者在彈(dan)簧表面💁形⭐成一個(gè)保護層的表面處(chu)理方法來解決。
3、微(wei)動磨損及碰撞磕(kē)痕、凹坑
預防措施(shī)：除消除振動和改(gǎi)進結構設計外，采(cǎi)用各種㊙️表👉面處理(lǐ)🔱如離子注入，化學(xue)熱處理以及噴丸(wan)、滾壓等表面硬化(huà)✍️工藝‼️，提高表面的(de)耐磨和疲勞性能(neng)，可以提高其抵抗(kàng)微動磨損的能力(li)。而降低表面的摩(mo)擦系數即通過潤(run)滑方式包括固體(ti)、半固體、及液體也(yě)可以減緩微動損(sun)傷的進程。
彈簧因(yin)為表面磕痕、凹坑(kēng)等引起彈簧失效(xiao)的情況很多☂️，在失(shī)效件中占很大比(bi)例。如某公司離合(hé)器從動盤彈簧由(you)于彈簧表面存在(zài)的嚴重磕傷而導(dao)緻❤️它過早疲勞斷(duàn)裂（如圖🌂9，圖10）。這種表(biao)面缺🌍陷可能發生(shēng)在彈簧制造過程(cheng)中，也可能在使用(yòng)過程中磕碰産🙇🏻生(sheng)，制造過程前面已(yǐ)述，而在使用過程(cheng)，使用者要檢查使(shǐ)用環境，避⭕免彈簧(huáng)受碰撞等。
4、工作溫(wen)度的影響
因不同(tong)的材料有不同的(de)耐熱性能，溫度升(shēng)高時，金屬會受🌍熱(re)🔴膨✂️脹，尺寸的相應(ying)變化會改變彈簧(huang)的各種性能。不僅(jin)如此，彈簧的彈性(xing)模量E和切變模量(liang)G下降，因此，即使在(zai)載荷不變的條件(jiàn)下，彈簧的變形量(liàng)将增大。而且，在應(yīng)力、溫度和時間的(de)共同作用下，變形(xíng)和松弛将是彈簧(huáng)失效的一個重要(yào)模式。
實例：采用琴(qín)鋼絲制造的壓縮(suo)機閥簧，如長時間(jiān)在160℃以上工作，由💃🏻于(yú)應力松弛和高度(dù)的減小，幾乎所有(you)閥簧都被壓縮🐉在(zai)閥💃座孔内，喪失了(le)閥簧的工作性能(neng)而失❗效。
低溫與高(gao)溫條件相反，低溫(wēn)會使材料的彈性(xing)模量、硬度及強度(du)增加，但其塑性和(hé)韌性下降，特别是(shì)當溫度低于該材(cái)✉️料的冷脆轉變溫(wēn)度時，材料的脆性(xing)将非常嚴重，例如(ru)，在零下40℃時，在沖擊(jī)載荷條件下工作(zuo)的彈簧往往會碎(suì)成幾段。
