彈(dàn)簧是一般機械(xie)不可缺少的零(líng)件，它在工作過(guò)程中起🙇🏻到💯緩沖(chong)平衡、儲存能量(liang)、自動控制、回位(wèi)定位、安全保險(xian)等作用。彈簧在(zài)使用過程中常(cháng)因各種原因導(dao)緻失效而引起(qi)機械故障。為此(cǐ)，有必要讨論引(yǐn)起彈簧失效的(de)原因及預防措(cuo)施。
導緻彈簧失(shī)效的主要因素(sù)有材料缺陷，加(jia)工制造缺陷，熱(re)處理不當，表面(mian)處理不當，工作(zuò)環境因素等。通(tōng)過對近幾年21個(gè)彈簧失效案例(li)的彙總分析，彈(dan)簧表面缺陷，包(bāo)括碰撞磕痕、微(wei)動磨損、凹坑等(deng)造成彈🚶♀️簧失效(xiào)的比例最大，占(zhan)50%；另外還有裂紋(wen)占有20%；夾雜、疏松(song)13%；脫碳、熱處🔴理、表(biao)面強化分别占(zhàn)3%左右。彈簧失效(xiao)可由一種原因(yīn)引起，也可由幾(ji)種原因因素綜(zong)合作用所緻。因(yīn)此，對彈簧的失(shi)效分析必須先(xian)對實例的失效(xiao)現象進行種種(zhǒng)調💜查分析，弄清(qīng)楚其失效模式(shi)，然後找出其🧑🏾🤝🧑🏼失(shi)效的原因📐因素(sù)，從而提出改進(jin)措施。
一、彈簧原(yuán)材料引起的彈(dàn)簧失效:
1、由于鋼(gāng)的冶煉方法不(bú)同，會使鋼中存(cún)在不同程度造(zao)成彈簧早期疲(pi)勞失效的夾雜(za)物，夾雜物過量(liang)或🐉尺寸過大❌，均(jun1)勻度不好都會(hui)影響材料的力(li)學性能，容易早(zao)期疲勞失效。
實(shi)例：某公司一件(jiàn)型号為SY6480（Ф22mm）的車輛(liàng)懸架用扭杆彈(dan)簧，在新車出庫(kù)時便發生斷裂(lie)，分析認為斷裂(lie)起源于彈簧亞(yà)表面存🔅在的一(yi)個粗大脆性夾(jia)雜物（如圖1，圖2(圖(tú)1的放大圖)）。
預防(fang)措施：彈簧材料(liao)必須有優良的(de)冶金質量，如嚴(yán)格控制化學成(cheng)分、高純淨度，較(jiao)低夾雜物含量(liàng)，同時還要求材(cai)料成分和🈲組織(zhi)⭕的均勻性和穩(wen)定性。為了降低(dī)鋼中有害氣體(ti)和雜質元素，提(ti)高🌏鋼的純淨度(dù)，應采用真🚶♀️空冶(ye)煉及🔞電渣重熔(róng)等精煉技術。
2、軋(zha)制過程可能引(yin)起的缺陷：殘餘(yu)縮管及中心裂(liè)紋；折疊缺陷（如(ru)圖3）；線狀缺陷、劃(huà)痕；表面鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔🙇♀️皮狀表(biǎo)面🥵、麻坑；這些都(dou)可🔞能導緻彈簧(huáng)失效。所以鋼廠(chǎng)應盡🈚量避免和(he)消除軋制過程(chéng)中産❤️生的缺陷(xiàn)，彈簧廠應加強(qiáng)對彈簧原材料(liào)質💯量檢查，盡🤩量(liang)采用表面質量(liàng)好的材料。
冷成(chéng)形螺旋彈簧在(zài)卷簧時由于卷(juan)簧過程中工藝(yì)裝備不良或調(diào)整操作不當會(hui)産生彈簧的表(biao)面缺陷。如☀️自動(dong)卷簧⭕機上切斷(duan)😘彈簧時切刀就(jiu)有可能插傷鄰(lín)近🈲彈簧圈鋼絲(sī)的内表面。熱成(chéng)形彈簧由于熱(rè)成形加熱溫度(du)過高彈簧表面(miàn)💜産生桔皮狀缺(quē)陷，使🍓彈簧疲勞(lao)壽命大幅度降(jiang)低。或者，熱成形(xíng)時，由于加熱溫(wen)度過低，鋼的塑(su)性不夠，熱成形(xing)過程中彈簧表(biao)☎️面應力超過材(cai)料強度極限會(hui)産生裂紋[1]。所以(yi)在制造過程中(zhōng)也要加強對彈(dan)簧表面質量檢(jiǎn)查，盡量避免表(biǎo)面缺陷的産生(sheng)。
二、制造過程中(zhōng)引起的彈簧失(shi)效:
冷成形螺旋(xuán)彈簧在卷簧時(shi)由于卷簧過程(cheng)中工藝🌏裝🚩備❗不(bú)🌈良或調整操作(zuò)不當會産生彈(dàn)簧的表面缺陷(xiàn)。如😍自動卷簧機(jī)上切斷彈簧時(shi)切刀就有可能(neng)插傷鄰近彈簧(huang)圈鋼絲的内表(biao)面。熱成形彈簧(huáng)由于熱成形加(jia)熱溫度過高彈(dàn)簧表面産生桔(jú)皮狀缺陷，使✂️彈(dàn)簧疲勞壽命大(dà)幅度降低。或者(zhe)，熱成形時，由于(yú)加熱溫度過低(dī)，鋼的塑性不夠(gou)，熱成形過程中(zhōng)彈簧表面應力(lì)超過材料強度(dù)極限會産生裂(lie)紋。所以在制造(zao)過程中也要加(jia)強對彈簧表面(mian)質量檢查，盡量(liang)避免表面缺陷(xian)的産生。
三、熱處(chù)理工藝缺陷造(zào)成的彈簧失效(xiao):
彈簧在加熱或(huo)冷卻期間表面(mian)和中心溫度分(fen)布不🔱均💃勻會引(yǐn)起熱應力，相變(biàn)的過程會造成(chéng)組織應力,其總(zǒng)值超過材料的(de)強度極限時會(hui)導緻開裂。這種(zhǒng)缺陷多見于尺(chi)寸較大📧的在水(shui)中淬火🚶的彈簧(huáng),其裂紋産生後(hou)無法修複㊙️隻能(néng)報廢。另外原材(cai)料的缺陷，如鋼(gang)中的殘餘縮孔(kǒng)、白點✏️、冷加工刀(dao)痕😘、冷拉和熱軋(zha)過程中的劃痕(hen)、折疊等缺陷，都(dōu)會造成淬火時(shi)的應力集中而(er)開裂。如🌐圖4所示(shi)即為某公司彈(dan)簧由于最初😄的(de)表面上的短淺(qiǎn)折疊裂紋，在淬(cui)火⭐熱處理時，該(gai)裂紋沿徑向擴(kuo)展至3.9mm，在做疲勞(láo)試驗時，它首先(xian)擴展🏃，直至達到(dao)臨界尺⭐寸而引(yin)起彈簧的瞬時(shí)破斷。熱處理不(bu)當産生的非正(zheng)常組💋織如粗大(da)的淬火馬氏體(tǐ)⚽；先共析鐵素體(tǐ)或遊離鐵素體(tǐ)💃🏻；碳化物偏析；彈(dan)簧的熱處理變(biàn)㊙️形；表面氧化與(yu)脫碳都會造成(chéng)彈簧失效。
實例(lì):某廠60Si2MnA熱成型彈(dàn)簧,d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制(zhì)成型,卷後一次(ci)淬火,470～490℃回火。裝車(che)使用後彈簧連(lián)續幾次發生早(zao)期失⚽效。對⁉️已失(shi)🐕效的彈簧進行(hang)☔檢查,發現個别(bie)彈簧出現淬火(huǒ)裂紋,經爐氣成(chéng)分🥵分析發現,大(dà)約有一個月煤(mei)⁉️氣成分不當,發(fā)熱量偏高,使爐(lú)溫過高,個🤩别彈(dàn)簧過✍️熱,奧氏體(tǐ)晶粒粗大,水中(zhōng)🏃🏻♂️淬火後出現淬(cui)火裂紋,由于水(shui)的冷卻能力很(hěn)強,在奧氏體向(xiàng)馬氏體轉變溫(wēn)度區，彈簧🌈表面(miàn)與心部溫差增(zeng)大，因馬氏體相(xiàng)變的✨先後不同(tóng),引起很大的組(zǔ)織應力,因而出(chu)現裂紋。
預防措(cuò)施：除嚴格控制(zhì)好加熱溫度、保(bao)溫時間外，控制(zhì)爐内🏃🏻♂️氣氛是很(hen)重要的，定期分(fèn)析加熱煤氣成(cheng)分,保證熱量供(gòng)應🔅正常；為了減(jiǎn)少變形,杜絕淬(cuì)火開裂，除了尺(chi)寸過大的熱成(cheng)形彈簧外,一般(ban)熱成形彈簧采(cǎi)用在油中冷卻(que)。
四、表面處理工(gōng)藝不當造成的(de)彈簧失效:
1、表面(mian)噴丸強化工藝(yi)，噴丸強化設備(bei)、工藝方法及操(cao)作水平對噴丸(wán)強化有很大的(de)影響，如果制造(zao)者不把噴🌈丸工(gōng)藝當作一個重(zhòng)要的強化工藝(yi)，充分注意噴丸(wán)工藝的控制，也(yě)不進行工藝效(xiao)果的必要檢測(cè)，那麼噴丸處理(li)有可能得不到(dào)它應有的💛強化(huà)效果，甚至可能(néng)成為彈簧發生(shēng)早期失效的誘(you)因。
實例：某廠進(jìn)口的彈簧原材(cai)料，是經滲氮表(biǎo)面處理的，表面(mian)硬💃度較高，經噴(pēn)丸處理後，導緻(zhì)表面産生裂⁉️紋(wén)而最終斷裂。所(suǒ)以針對♊不同的(de)材料，經不同的(de)工藝處理後，要(yào)選擇的合适的(de)噴丸工藝。
2、電鍍(dù)時彈簧表面及(ji)鍍層中富含的(de)氫氣，如不能得(de)到及時和充分(fen)的清除，可導緻(zhi)彈簧在工作時(shi)的氫緻滞後斷(duàn)🐉裂而失效。有時(shi)在氧化處理或(huò)磷化處理前，為(wei)了去除彈💚簧表(biao)面🔞的氧化皮和(he)鏽迹，需進行酸(suān)洗。當酸洗過度(du)造成氫大量滲(shen)入零件内🐅部，而(er)又未能及時和(he)充分的除氫處(chù)理時，可導緻⭐彈(dan)簧的氫脆斷裂(liè)失效。
實例：直徑(jing)0.6mm的70"冷拔碳素彈(dàn)簧鋼絲鍍镉後(hòu)，制成中徑4.0mm扭轉(zhuan)🐕彈簧，在裝配時(shi)發生斷裂。采用(yòng)能譜分析(EDS)、金相(xiang)分析和掃描電(diàn)鏡(SEM)對斷口進行(hang)了宏觀和微觀(guān)檢測及分析🐪。結(jié)果表明：彈簧🌐在(zài)繞制過程中的(de)殘餘拉應力以(yi)及在鍍前接觸(chu)了含氫介質，緻(zhì)使大量的氫殘(cán)🤟留并呈彌散分(fèn)布形态，進而形(xíng)成沿晶裂紋，在(zai)外力作用下，導(dao)緻彈🌈簧沿晶脆(cuì)性斷裂。
五、工作(zuo)條件對彈簧失(shi)效的影響:
1、負載(zai)狀況對彈簧失(shi)效的影響
通用(yòng)機械中受沖擊(jī)作用的彈簧很(hen)多，如噴油泵之(zhī)柱📧塞彈簧。這種(zhong)彈簧常在第二(er)、三圈處折斷，因(yīn)為第二、三圈首(shǒu)先受到沖擊載(zai)荷且不能足夠(gòu)快地傳給其它(tā)各圈，頭幾圈承(cheng)受了大部分沖(chong)擊，且比其各圈(quān)變形大得多。
設(she)計者應考慮到(dao)動力效應，盡可(ke)能避免一端的(de)交變🍓運動與彈(dàn)簧的自然頻率(lǜ)之一發生共振(zhen)。但有時⭐共振現(xiàn)象無法避免，應(ying)力幅度會增加(jia)5%以上，則要采取(qu)相應措施，例如(ru)采用❓較高的自(zi)然頻率，使其不(bu)與🌂低次諧波🙇♀️共(gòng)振。設計合理的(de)凸輪外形,以✂️降(jiàng)低工作階段的(de)節距🙇♀️。減少彈簧(huang)端🔴部的節距,以(yi)🌈改變沖擊時的(de)自然頻率；對🤞彈(dàn)簧中部增用摩(mó)擦強迫阻尼。
嚴(yan)格說來，彈簧工(gōng)作時，載荷不可(kě)能作用在幾何(hé)中心線💃上，會形(xing)🚶♀️成偏心載荷，總(zong)偏一個距離e，這(zhè)種負載偏心要(yào)産生附加的應(yīng)力，而使彈簧安(an)全應力顯著減(jiǎn)小，導緻彈簧過(guò)早失效。另外彈(dan)簧運行之初承(cheng)受過載荷也非(fēi)常危險，初期過(guo)載損傷的累積(ji)将降低彈簧疲(pi)勞極限而導緻(zhi)早期疲勞斷裂(lie)。
2、環境因素對彈(dàn)簧失效的影響(xiang)
在腐蝕環境中(zhong)承受交變載荷(he)将發生腐蝕疲(pí)勞，由于腐🈲蝕環(huán)境能加速疲勞(lao)的萌生和擴展(zhan)，因而會顯著降(jiàng)低彈簧的疲勞(lao)💰壽命。例如彈簧(huang)鋼試樣在淡水(shui)♉腐蝕下✨的持久(jiǔ)極限僅是大氣(qì)中的10%～25%。
實例：對某(mou)電廠汽輪機主(zhu)汽門操縱座彈(dàn)簧的斷裂失效(xiao)進行❗了分析。結(jié)果表明：彈簧材(cái)料化學成分及(ji)組織都符合國(guo)家标準，導🤩緻其(qí)早期疲勞斷裂(liè)的主要原因是(shì)彈簧表面的腐(fu)蝕坑❤️（如圖5，圖💛6）；腐(fu)蝕坑是在彈簧(huang)使用前的放置(zhì)過程中形成的(de)，改善彈簧放置(zhi)環境和縮短放(fang)置時間可以避(bi)免腐蝕坑的産(chǎn)生。
在彈簧類零(ling)件中，如螺旋壓(ya)縮彈簧的兩個(ge)端圈，拉伸彈簧(huang)的⛱️彎鈎，扭杆的(de)固定端，闆簧的(de)片與片之間都(dou)可能産生微🤩動(dong)磨損（如🐆圖7，圖8）。某(mou)公司的離合器(qi)減振彈簧在疲(pi)勞試驗中斷裂(liè)，經分析彈簧多(duo)處受到外力碰(peng)撞摩擦，造成彈(dàn)簧過渡圈的接(jiē)觸帶位置發生(sheng)偏移，使得微振(zhèn)磨損不🆚隻發生(shēng)在一個平面上(shang)，造成不同微振(zhèn)磨損平面的交(jiāo)叠🔞，導緻平面相(xiang)交✔️處的應力集(ji)中，導緻斷裂。
預(yu)防措施：可采取(qǔ)用抗腐蝕的材(cái)料或者在彈簧(huang)表面🥰形成一個(gè)保護層的表面(mian)處理方法來解(jiě)決。
3、微動磨損及(ji)碰撞磕痕、凹坑(keng)
預防措施：除消(xiao)除振動和改進(jìn)結構設計外，采(cǎi)用各種表面處(chu)理😍如離子注入(ru)，化學熱處理以(yi)及噴丸、滾壓等(deng)✔️表面硬化工藝(yi)⁉️，提高表面的耐(nai)磨和疲勞性能(néng)，可以提高其抵(dǐ)抗微動磨損的(de)能力。而降低表(biǎo)面的摩擦系數(shù)即通過潤滑方(fāng)式包括固體、半(bàn)固體、及液♋體也(ye)可以減緩微動(dong)損傷的進程。
彈(dan)簧因為表面磕(ke)痕、凹坑等引起(qi)彈簧失效的情(qing)況很🤩多，在失效(xiao)件中占很大比(bǐ)例。如某公司離(li)合器從♈動盤彈(dan)簧由于彈簧表(biao)面存在的嚴重(zhòng)磕傷而導緻它(tā)過早疲勞斷裂(lie)（如圖9，圖10）。這種表(biao)面缺💞陷可能發(fā)生在彈簧制🈲造(zao)過程中，也可能(néng)在使用過程🚩中(zhong)磕碰産生，制造(zào)過程前面已述(shu)，而在使用過程(cheng)📱，使用者要檢♊查(chá)使用環境，避免(mian)彈簧受碰撞等(deng)。
4、工作溫度的影(yǐng)響
因不同的材(cai)料有不同的耐(nai)熱性能，溫度升(shēng)高時，金屬會受(shou)熱👈膨脹，尺寸的(de)相應變化會改(gǎi)變彈簧的各種(zhong)性能。不僅如✔️此(ci)，彈簧的彈性模(mo)量E和切變模量(liàng)G下降，因此，即使(shǐ)在載荷不變的(de)條件下，彈✉️簧的(de)變形量❓将增大(dà)。而且，在應力❗、溫(wen)度和時間的共(gong)同💃作用下，變🔴形(xíng)和松弛将🏒是彈(dàn)簧失效的一個(gè)重要模式。
實例(li)：采用琴鋼絲制(zhì)造的壓縮機閥(fá)簧，如長時間在(zài)160℃以上工💯作，由于(yu)應力松弛和高(gāo)度的減小，幾乎(hu)所有😘閥簧💛都被(bei)壓縮在閥座孔(kǒng)内，喪失了閥簧(huang)的工作性能而(ér)失效。
低溫與高(gāo)溫條件相反，低(di)溫會使材料的(de)彈性模量、硬度(du)及強度㊙️增加，但(dan)其塑性和韌性(xìng)下降，特别是當(dāng)溫度低于該材(cai)料的冷脆☎️轉變(biàn)溫度時，材料的(de)脆性⭕将非常嚴(yan)重，例如，在零下(xià)40℃時，在沖擊載荷(he)條件下工作的(de)彈簧往往會碎(suì)成幾段。
