彈(dan)簧是一般機(jī)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(quan)保險等作用(yòng)。彈簧在使用(yong)過程中常因(yin)各種原因導(dao)緻失效而引(yǐn)起機械🐕故障(zhang)。為此，有必要(yao)讨論引起彈(dàn)簧失效的原(yuán)因及預防措(cuo)施。
導緻彈簧(huang)失效的主要(yao)因素有材料(liào)缺陷，加工制(zhì)造缺陷，熱處(chù)理不當，表面(miàn)處理不當，工(gōng)作環境因素(sù)等。通過對近(jin)💛幾年21個彈簧(huang)失效案例的(de)彙總分析，彈(dan)簧表面缺陷(xiàn)，包括碰撞磕(ke)痕、微動磨損(sun)、凹坑等造成(chéng)彈簧失效的(de)⁉️比例最大，占(zhan)50%；另外還有裂(lie)紋占有20%；夾雜(za)、疏松13%；脫碳、熱(rè)處理、表面強(qiang)化分别占3%左(zuǒ)右。彈簧失效(xiào)可由一種原(yuan)因引起，也可(ke)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(cha)分析，弄清楚(chǔ)其失效模式(shi)，然後找出其(qí)失效的原因(yin)因素，從而提(tí)出改進措施(shī)。
一、彈簧原材(cai)料引起的彈(dan)簧失效:
1、由于(yu)鋼的冶煉方(fāng)法不同，會使(shǐ)鋼中存在不(bú)同程度造成(chéng)彈簧早期疲(pi)勞失效的夾(jia)雜物，夾雜物(wù)過量或🌍尺寸(cùn)過大⛱️，均勻度(dù)不好都會影(yǐng)響材料的力(lì)學性能，容易(yì)早期疲勞失(shi)效。
實例：某公(gong)司一件型号(hao)為SY6480（Ф22mm）的車輛懸(xuan)架用扭杆彈(dàn)簧，在🎯新車出(chu)🔞庫時便發生(shēng)斷裂，分析認(ren)為斷裂起源(yuán)于彈簧亞表(biǎo)🔞面存在的一(yī)個粗大脆性(xìng)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(ru)嚴格💃控制♈化(hua)學成分、高純(chún)淨度，較低夾(jiá)雜物含量，同(tóng)時還要求材(cai)料成分和組(zǔ)織的均勻性(xing)和穩定性。為(wei)了降低鋼🤩中(zhōng)有害氣體和(hé)雜質元素，提(ti)高鋼的純淨(jing)度，應采用真(zhen)空冶煉及電(diàn)渣重熔🧑🏽🤝🧑🏻等精(jing)煉技術。
2、軋制(zhì)過程可能引(yin)起的缺陷：殘(cán)餘縮管及中(zhōng)心裂紋；折疊(dié)缺✌️陷（如✨圖3）；線(xian)狀缺陷、劃痕(hen)；表面鏽蝕坑(keng)；過燒、桔皮狀(zhuang)表面、麻坑；這(zhè)些都可能導(dao)緻彈簧失效(xiao)。所以鋼廠應(ying)盡量避免⛹🏻♀️和(hé)消除軋制過(guo)程中産生的(de)缺陷，彈簧廠(chang)應加強對彈(dàn)簧原材料質(zhì)量檢查，盡量(liang)采用表❄️面質(zhi)量好的材料(liào)。
冷成形螺旋(xuán)彈簧在卷簧(huáng)時由于卷簧(huang)過程中工藝(yì)裝備不良或(huo)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(dao)就有可能插(cha)傷鄰近彈簧(huang)圈鋼絲的内(nei)表面。熱成形(xíng)彈簧由于熱(rè)成形加熱溫(wēn)度過高彈簧(huang)表面産生桔(jú)皮狀缺陷，使(shǐ)🥰彈簧疲勞壽(shòu)命大幅度降(jiàng)低。或者，熱成(cheng)形時，由于加(jia)熱溫度過低(di)，鋼的塑性不(bu)夠，熱成形過(guò)程中彈簧表(biao)面應力超過(guò)材料強度極(ji)限會産生💘裂(liè)紋[1]。所以在制(zhi)造過程中也(yě)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(zhì)造過程中引(yin)起的彈簧失(shi)效:
冷成形螺(luó)旋彈簧在卷(juàn)簧時由于卷(juan)簧過程中工(gōng)藝裝‼️備💃🏻不✌️良(liáng)🌐或調整操作(zuò)不當會産生(sheng)彈簧的表面(mian)缺陷。如自動(dong)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(cheng)形彈簧由于(yu)熱成形加熱(re)溫度過高彈(dàn)簧表面産生(sheng)桔皮狀缺陷(xiàn)，使彈簧疲勞(láo)壽命大幅度(du)降低。或者，熱(re)成😘形時，由于(yú)加熱溫度過(guo)低，鋼的塑性(xing)不夠，熱成形(xíng)過程中彈簧(huáng)表面應力超(chāo)過材料強度(du)極👄限會産生(shēng)裂紋。所以在(zai)制造過程中(zhong)也要加強對(dui)彈簧表面質(zhi)量☔檢查，盡量(liang)避📐免表面缺(que)陷的産生。
三(san)、熱處理工藝(yì)缺陷造成的(de)彈簧失效:
彈(dan)簧在加熱或(huo)冷卻期間表(biao)面和中心溫(wen)度分布不均(jun)📞勻會引起熱(re)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(zhi)開裂。這種缺(quē)陷多見于尺(chǐ)⛷️寸較大🌂的在(zai)水中淬火🔞的(de)彈簧,其裂紋(wen)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(leng)拉和熱軋過(guo)程中的劃痕(hen)、折疊等缺陷(xian)，都🙇♀️會造成淬(cuì)火時的應力(lì)集中而開裂(liè)。如🔴圖4所示即(ji)為某公司彈(dàn)簧由于最初(chū)的表面上的(de)短淺折疊裂(lie)紋，在淬火熱(re)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(zhí)至達到臨界(jiè)尺寸而引起(qi)彈簧的瞬時(shi)破斷。熱處理(lǐ)不當産生的(de)非正常組✏️織(zhī)如粗大的淬(cui)火馬氏體；先(xiān)共析鐵素體(tǐ)或遊離鐵✔️素(sù)體；碳化物偏(piān)析；彈簧的熱(re)處理變形；表(biǎo)面氧化與脫(tuo)碳都‼️會造成(cheng)彈簧失效。
實(shí)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(xíng),卷後一次淬(cuì)🏃火,470～490℃回火。裝車(chē)使用後彈簧(huang)連續幾次發(fā)生早期失㊙️效(xiào)。對已失效的(de)彈簧🐪進行檢(jian)查,發現個别(bie)彈簧出現🐆淬(cuì)火裂✉️紋,經爐(lu)氣成分分析(xī)發現,大約有(you)一個月煤氣(qi)成分不當,發(fā)熱量偏高,使(shi)爐溫過高,個(ge)别彈簧過🌈熱(re),奧氏體晶粒(lì)粗大,水中淬(cuì)火後出現⁉️淬(cui)火裂紋,由于(yú)水的冷卻👣能(neng)力很強,在奧(ao)氏體向馬氏(shi)體轉變溫度(dù)區，彈簧表面(mian)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(chu)現裂紋。
預防(fáng)措施：除嚴格(gé)控制好加熱(re)溫度、保溫時(shí)間外，控制爐(lu)内氣氛是很(hen)重要的，定期(qi)分析加熱煤(méi)氣成分,保證(zhèng)🏃🏻♂️熱量供應正(zhèng)常；為了⭐減少(shao)變形,杜絕淬(cuì)火開裂，除了(le)尺寸過大的(de)熱成♋形彈簧(huáng)外,一般熱成(chéng)形彈簧采用(yong)在油中冷卻(que)。
四、表面處理(li)工藝不當造(zào)成的彈簧失(shi)效:
1、表面噴丸(wán)強化工藝，噴(pen)丸強化設備(bèi)、工藝方法及(ji)操作水平對(dui)噴丸強化有(yǒu)很大的影響(xiǎng)，如果制造者(zhe)不把噴丸工(gong)藝當作一個(ge)重要的強化(hua)工藝，充分注(zhu)意噴丸工藝(yì)的控🈲制，也不(bu)❄️進行工藝效(xiao)果🌐的必要檢(jian)測，那麼噴丸(wán)處理有可能(neng)得不到它應(yīng)有的強化效(xiào)果，甚至可能(néng)成✔️為彈簧發(fā)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(gāo)，經噴丸處理(li)後，導緻表面(miàn)産生裂紋而(ér)最終斷裂。所(suo)以針對🈲不同(tóng)的材料，經不(bú)同的工藝處(chù)理後，要選擇(ze)的合🌍适的噴(pen)丸工藝。
2、電鍍(du)時彈簧表面(mian)及鍍層中富(fù)含的氫氣，如(ru)不能得到及(ji)時♻️和充分的(de)清除，可導緻(zhi)彈簧在工作(zuo)時的氫緻滞(zhi)後斷裂而🏃失(shī)效。有時在氧(yǎng)化處理或磷(lín)化處理👣前，為(wéi)了去除彈簧(huáng)表面的氧化(huà)皮和鏽迹，需(xu)進行酸洗。當(dāng)酸洗過度造(zào)成㊙️氫大量滲(shèn)入零件内部(bu)，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(sī)鍍镉後，制成(cheng)中徑‼️4.0mm扭轉彈(dan)📱簧，在裝配時(shi)發生斷裂。采(cǎi)用能譜分析(xī)(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(guan)檢測及分析(xī)⁉️。結果表🥰明：彈(dàn)簧✉️在繞制過(guò)程中的殘餘(yu)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(chéng)彌散📞分布形(xing)态，進而形成(chéng)沿晶裂紋，在(zai)外力作用下(xia)，導緻✌️彈簧沿(yán)晶脆性斷裂(liè)。
五、工作條件(jiàn)對彈簧失效(xiào)的影響:
1、負載(zǎi)狀況對彈簧(huang)失效的影響(xiang)
通用機械中(zhong)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(zài)第二、三圈處(chù)折斷，因為第(di)二、三圈首先(xian)受到沖擊載(zai)荷且不能足(zú)夠快地傳給(gěi)其它各圈，頭(tou)幾♍圈承受了(le)大部💛分沖擊(jī)，且比其各圈(quan)變形大得多(duo)。
設計者應考(kao)慮到動力效(xiào)應，盡可能避(bi)免一端的交(jiao)變🏃🏻運動與彈(dan)簧的自然頻(pín)率之一發生(shēng)共振。但有時(shí)共振現象無(wu)法避免，應力(li)幅度會增加(jiā)5%以上，則要采(cǎi)取相應措施(shī)，例如采用較(jiao)高的自然頻(pín)率，使其不與(yǔ)低次諧波共(gong)振。設計合理(li)的凸輪外形(xíng),以📐降低工作(zuo)♌階段的節距(jù)。減少彈簧端(duān)部的節距,以(yi)改變沖擊時(shi)♊的自然頻率(lǜ)⭕；對彈簧中部(bu)增用摩擦強(qiáng)迫阻尼。
嚴格(gé)說來，彈簧工(gōng)作時，載荷不(bu)可能作用在(zài)幾何中心線(xian)上，會形⭐成偏(piān)心載荷，總偏(piān)一個距離e，這(zhè)種負載偏心(xīn)🈲要産生附✨加(jia)的㊙️應力，而使(shi)彈簧安全應(ying)力顯著🌍減小(xiao)，導緻彈簧過(guo)早失效。另外(wài)彈簧運行之(zhī)初承受過載(zai)荷也⭐非常危(wēi)險，初期過載(zai)損傷的累積(jī)将降低🍓彈簧(huang)疲勞極限而(er)導緻早期疲(pí)勞斷裂。
2、環境(jing)因素對彈簧(huang)失效的影響(xiǎng)
在腐蝕環境(jing)中承受交變(bian)載荷将發生(sheng)腐蝕疲勞，由(you)于腐蝕環境(jìng)能加速疲勞(lao)的萌生和擴(kuo)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(chi)久極限僅是(shi)大氣㊙️中的10%～25%。
實(shí)例：對某電廠(chang)汽輪機主汽(qì)門操縱座彈(dan)簧的斷裂失(shi)效進行了分(fèn)析。結果表明(ming)：彈簧材料化(hua)學成分及組(zǔ)織都符合國(guó)家标準，導緻(zhì)其早期疲勞(lao)斷裂的主要(yào)原因是彈簧(huang)表面的腐蝕(shí)坑（如圖5，圖6）；腐(fǔ)蝕坑是在彈(dàn)簧使用前的(de)放置過程中(zhong)形⁉️成的，改善(shàn)彈簧放置環(huan)境和縮短放(fàng)置時間可以(yǐ)避免腐蝕坑(kēng)的産生。
在彈(dàn)簧類零件中(zhōng)，如螺旋壓縮(suō)彈簧的兩個(gè)端圈，拉伸彈(dan)簧的彎鈎，扭(niu)杆的固定端(duan)，闆簧的片與(yu)片之間都可(kě)能産🐇生微動(dong)磨損（如圖7，圖(tú)8）。某公司的離(lí)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(li)碰撞摩擦，造(zào)成彈簧過渡(du)圈的接觸帶(dai)位置發生偏(pian)移，使得💯微振(zhèn)磨損不📱隻發(fa)生在一個平(ping)面上，造🌐成不(bu)同微振磨損(sǔn)平面的交叠(die)，導緻平面相(xiang)交處的應力(lì)集中，導緻斷(duàn)裂。
預防措施(shī)：可采取用抗(kàng)腐蝕的材料(liao)或者在彈簧(huang)表🐪面形成一(yi)個保護層的(de)表面處理方(fang)法來解決。
3、微(wei)動磨損及碰(peng)撞磕痕、凹坑(kēng)
預防措施：除(chu)消除振動和(he)改進結構設(she)計外，采用各(ge)種表面處理(li)如離子注入(rù)，化學熱處理(li)以及噴丸、滾(gǔn)壓等表面硬(yìng)化工藝，提高(gao)表面的耐磨(mo)和疲勞性能(neng)，可以提高其(qí)抵🔱抗微動☁️磨(mó)損的能力。而(ér)降低表面的(de)摩擦系數🥵即(ji)通過潤滑方(fāng)式包括固體(tǐ)、半固體、及液(yè)🚶♀️體也可以減(jian)緩微動損傷(shāng)🛀🏻的進程。
彈簧(huáng)因為表面磕(kē)痕、凹坑等引(yǐn)起彈簧失效(xiào)的情況🏃🏻很多(duo)👌，在失👨❤️👨效💁件中(zhōng)占很大比例(li)。如某公司離(li)合器從動盤(pan)彈簧由于彈(dàn)簧表面存在(zai)的嚴重磕傷(shāng)而導緻它過(guò)早疲勞斷裂(liè)（如圖9，圖10）。這種(zhong)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(mian)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(zhuang)等。
4、工作溫度(dù)的影響
因不(bú)同的材料有(you)不同的耐熱(re)性能，溫度升(sheng)高時，金屬會(hui)受熱膨脹，尺(chi)寸的相應變(biàn)化會改變彈(dan)簧的各種性(xìng)能。不僅如此(ci)，彈簧的彈性(xing)模量E和切變(biàn)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(yīng)力、溫度和時(shi)間的共同作(zuo)用下，變形和(hé)松弛将是彈(dàn)簧失效的一(yi)個重要模式(shi)。
實例：采用琴(qín)鋼絲制造的(de)壓縮機閥簧(huáng)，如長時間在(zai)160℃以上✏️工作，由(you)于應力松弛(chí)和高度的減(jiǎn)小，幾乎所有(yǒu)㊙️閥簧都被🌐壓(ya)縮在閥🔆座孔(kong)内，喪失了閥(fá)簧的工作性(xing)能而失效。
低(dī)溫與高溫條(tiao)件相反，低溫(wēn)會使材料的(de)彈性模量、硬(ying)㊙️度及強度增(zēng)加，但其塑性(xìng)和韌性下降(jiang)，特别是當溫(wen)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(shí)，在🍉沖擊載荷(he)條件下工作(zuò)的彈簧往往(wǎng)會碎成幾段(duan)。
