彈(dan)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(chòng)🏃🏻平衡、儲存能量(liang)、自動控制、回位(wei)定位、安全保險(xiǎn)等作用。彈簧在(zai)使用過程中常(cháng)因各種原因導(dao)緻失效而引起(qǐ)機械故障。為此(cǐ)，有必要讨論引(yin)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(su)有材料缺陷，加(jia)工制造缺陷，熱(rè)處理不當，表面(miàn)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(lì)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(děng)造成彈簧失效(xiao)的比例最大，占(zhàn)50%；另外還有裂紋(wén)占有20%；夾雜、疏松(sōng)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(yin)引起，也可由幾(jǐ)種原因因素綜(zōng)合作用所緻。因(yin)此，對彈簧的失(shi)效分析必須先(xian)對實例的失效(xiào)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(shī)效的原因因素(sù)，從而提出改進(jin)措施。
一、彈簧原(yuan)材料引起的彈(dan)簧失效:
1、由于鋼(gang)的冶煉方法不(bú)同，會使鋼中存(cun)在不同程度造(zào)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(huì)影響材料的力(li)學性能，容易早(zǎo)期疲勞失效。
實(shi)例：某公司一件(jian)型号為SY6480（Ф22mm）的車輛(liang)懸架用扭杆彈(dan)簧，在新♈車出庫(kù)時便發生斷裂(liè)，分析認為斷裂(liè)起源于彈簧亞(ya)表面存在的一(yī)個粗大脆性夾(jia)雜物（如圖1，圖2(圖(tú)1的放大圖)）。
預防(fáng)措施：彈簧材料(liao)必須有優良的(de)冶金質量，如嚴(yan)格控制化學成(chéng)分、高純淨度，較(jiào)低夾雜物含量(liang)，同時還要✔️求材(cai)🆚料成分和🎯組織(zhī)的均勻性和穩(wěn)定性。為了降低(di)鋼中有害氣體(tǐ)和雜質元素，提(tí)高鋼的純淨度(dù)，應采用真空冶(ye)煉及電渣重熔(rong)等精煉技😘術。
2、軋(zhá)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(hua)痕；表面鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔☎️皮狀表(biao)面、麻坑❌；這些都(dōu)可能導緻彈簧(huang)失效。所以鋼廠(chang)應盡量避免和(he)消除🙇🏻軋制過程(cheng)中産生的缺陷(xian)，彈簧廠應加強(qiáng)對彈簧原材料(liào)質量檢查，盡量(liàng)采用表✊面質量(liang)好的材料。
冷成(cheng)形螺旋彈簧在(zai)卷簧時由于卷(juàn)簧過程中工藝(yi)裝備💋不㊙️良或調(diao)整操作不當會(hui)産生彈簧的表(biao)面缺陷。如自動(dòng)卷簧💰機上切斷(duàn)彈簧時切刀就(jiù)有可能插👨❤️👨傷鄰(lin)近彈簧圈🤞鋼絲(si)的内表面。熱成(cheng)形彈簧由于熱(rè)成形加熱溫度(dù)過高彈簧表面(miàn)産生桔皮狀缺(quē)陷，使彈簧疲勞(láo)壽命大幅度降(jiàng)🈲低。或者，熱成形(xing)時，由于加熱溫(wen)度過低，鋼的塑(su)性不夠，熱♌成形(xíng)過程中彈簧表(biǎo)✏️面應力超過材(cai)料強度極限會(huì)産生裂紋[1]。所以(yi)在制造過程中(zhong)也要加強對彈(dàn)簧表面質量檢(jian)查，盡量避♉免表(biǎo)面缺⛷️陷的産生(shēng)。
二、制造過程中(zhōng)引起的彈簧失(shi)效:
冷成形螺旋(xuan)彈簧在卷簧時(shí)由于卷簧過程(chéng)中工藝裝⛱️備不(bu)良或調整操作(zuo)不當會産生彈(dan)簧的表面缺陷(xiàn)。如自動卷簧機(ji)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(biǎo)面。熱成形彈簧(huang)由于熱成形加(jia)熱溫度過高彈(dan)簧表面産生桔(ju)皮狀缺陷，使♈彈(dan)簧疲勞壽命大(da)幅度降低。或者(zhě)，熱成形時，由于(yú)加熱溫度過低(di)，鋼🏃♂️的塑性不夠(gou)，熱成形過程中(zhong)彈簧表❤️面應力(lì)超過材料強度(du)極限會産生裂(lie)紋。所以在制造(zao)過程中也要加(jiā)強對彈簧表面(miàn)質量檢👅查，盡量(liàng)避免表面缺陷(xiàn)的産生。
三、熱處(chù)理工藝缺陷造(zao)成的彈簧失效(xiào):
彈簧在加熱或(huò)冷卻期間表面(miàn)和中心溫度分(fen)布不均🏃♂️勻❤️會📧引(yǐn)起熱應力，相變(bian)的過程會造成(chéng)組織應力,其總(zong)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(huang),其裂紋産生後(hòu)無法修複隻能(néng)報廢。另外原材(cái)料的缺陷，如鋼(gang)中的殘餘縮孔(kong)、白點、冷加工刀(dao)痕、冷拉和熱軋(zhá)🌈過程中的劃痕(hen)、折疊等缺陷，都(dōu)會造成淬火時(shí)的應🙇♀️力集中而(ér)開裂。如🔞圖4所示(shì)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(lao)試驗時，它首先(xian)擴展，直至達到(dào)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(zhèng)常組織如粗大(da)的淬火馬氏體(ti)；先共析鐵素體(tǐ)或遊離鐵素體(ti)；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(cheng)彈簧失效。
實例(li):某廠60Si2MnA熱成型彈(dàn)簧,d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制(zhi)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(shī)🔞效的😄彈簧☔進行(hang)檢查,發現個别(bié)彈簧出現淬火(huo)裂紋,經爐氣成(cheng)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(lu)溫過高,個别彈(dàn)簧過熱,奧氏體(tǐ)晶粒粗大,水中(zhong)淬火後出現淬(cuì)火裂紋,由🤞于水(shuǐ)的冷卻能🔴力很(hen)強,在奧氏☂️體向(xiang)馬氏體轉變溫(wēn)度區，彈簧表面(mian)與心部溫差增(zēng)大，因馬氏體相(xiang)變的❄️先後不同(tong),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(zhi)好加熱溫度、保(bǎo)溫時間外，控制(zhi)爐内氣氛是很(hen)重要的，定期分(fèn)析加熱煤氣成(chéng)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(chǐ)寸過大的熱成(chéng)形彈簧外,一般(bān)熱成形彈簧采(cai)用在油中冷卻(que)。
四、表面處理工(gong)藝不當造成的(de)彈簧失效:
1、表面(mian)噴丸強化工藝(yì)，噴丸強化設備(bèi)、工藝方法及操(cao)作水平🏃🏻♂️對噴🙇🏻丸(wan)強化有很大的(de)影響，如果制造(zào)者不把噴丸工(gong)藝當作一個重(zhong)要的強化工藝(yì)，充分注意噴丸(wan)工🚶♀️藝的控❓制，也(ye)不進行工藝效(xiao)果🐇的必要檢測(ce)，那麼噴丸處理(li)有可⭐能得不到(dào)它應有的強化(hua)效果，甚至可能(neng)成為彈簧發生(sheng)♊早期失效的🔱誘(yòu)因。
實例：某廠進(jin)口的彈簧原材(cái)料，是經滲氮表(biǎo)面處理的，表㊙️面(miàn)硬度較高，經噴(pen)丸處理後，導緻(zhì)表面産生裂紋(wen)而最終斷裂。所(suo)以🧡針對不同的(de)材料，經不同的(de)工藝處理後，要(yao)選擇的合🔞适的(de)噴丸工藝。
2、電鍍(du)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(fèn)的清除，可導緻(zhi)彈簧在工作時(shí)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(biǎo)面的氧化📧皮和(hé)鏽迹，需進行酸(suān)洗。當酸洗過度(du)造成🐪氫大量滲(shèn)♍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(lie)失效。
實例：直徑(jìng)0.6mm的70"冷拔碳素彈(dàn)簧鋼絲鍍镉後(hou)，制成中徑4.0mm扭轉(zhuan)彈簧㊙️，在裝配時(shi)發生斷裂。采用(yong)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(fen)布形态，進而形(xíng)成沿晶裂紋，在(zài)外力作用下，導(dǎo)緻彈簧沿晶脆(cuì)性斷裂。
五、工作(zuò)條件對彈簧失(shī)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(zhi)柱塞彈簧💋。這種(zhǒng)彈簧常在第二(er)、三圈處折斷，因(yīn)為第二、三圈首(shou)先受到沖擊載(zǎi)荷且不能足夠(gòu)快地傳給♌其它(tā)各圈，頭幾圈承(chéng)受了大部分沖(chòng)擊✨，且比其各圈(quan)變形大得多。
設(she)計者應考慮到(dào)動力效應，盡可(ke)能避免一端的(de)交變運動與彈(dan)簧的自然頻率(lü)之一發生共振(zhèn)。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(qǔ)相應措施，例如(rú)采用較高的自(zì)然頻📧率，使其不(bú)與低次諧波共(gong)振。設計🚶♀️合理的(de)凸輪外形,以降(jiang)低工作階段的(de)節距。減少彈簧(huang)端部的節距,以(yǐ)改變沖擊時‼️的(de)自然頻率🔱；對☎️彈(dan)簧中部增用摩(mó)擦強迫阻尼。
嚴(yán)格說來，彈簧工(gōng)作時，載荷不可(ke)能作用在幾何(hé)中心線上，會形(xíng)成偏心載荷，總(zong)偏一個距離e，這(zhè)種負載🐪偏心🔞要(yao)産❓生附加的應(ying)力，而使彈簧安(ān)全應力顯著減(jian)小，導緻彈簧過(guo)早失效。另外彈(dàn)簧運行之初承(cheng)受過載荷也⁉️非(fei)常危險，初期過(guo)載損傷的累積(jī)将降低彈簧疲(pí)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(hé)将發生腐蝕疲(pi)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(láo)壽命。例如彈簧(huang)鋼試樣在淡水(shui)腐蝕下的持久(jiu)極限僅是大氣(qi)中的10%～25%。
實例：對某(mǒu)電廠汽輪機主(zhǔ)汽門操縱座彈(dan)簧的斷裂失🧡效(xiao)進行了分析。結(jie)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(fǔ)蝕坑是在彈簧(huang)使用前的放置(zhi)過程中形成的(de)，改善🏃♀️彈簧放置(zhi)環境和縮短🤩放(fàng)置時間可以避(bì)免腐蝕坑的産(chan)生。
在彈簧類零(ling)件中，如螺旋壓(ya)縮彈簧的兩個(gè)端圈，拉伸🧡彈簧(huáng)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(dòng)磨損（如圖7，圖8）。某(mǒu)公司的離合器(qi)減振彈簧在疲(pi)勞試驗中斷裂(lie)，經分析彈簧多(duō)處受到外力碰(pèng)撞🔴摩擦，造成彈(dan)簧過渡💛圈的接(jiē)觸☎️帶位置發😘生(shēng)偏移，使得微振(zhen)磨損不隻發生(shēng)在一個平面上(shàng)，造成不同微振(zhèn)🔴磨損平面的交(jiao)叠，導緻平面相(xiàng)交🐆處的應力集(jí)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(miàn)處理方法來解(jiě)決。
3、微動磨損及(jí)碰撞磕痕、凹坑(keng)
預防措施：除消(xiāo)除振動和改進(jin)結構設計外，采(cai)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(děng)🐪表面硬化💛工藝(yi)，提高表面的耐(nài)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(biao)面的摩擦系數(shu)💜即通過潤滑方(fāng)式包括固體、半(bàn)固體、及液體也(yě)可以減緩微動(dòng)損傷的進程。
彈(dàn)簧因為表面磕(kē)痕、凹坑等引起(qǐ)彈簧失效的情(qíng)況很🌈多，在失效(xiào)🔅件中占很大比(bi)例。如某公司離(li)合器從動盤彈(dàn)簧由于彈簧表(biǎo)面存在的嚴重(zhòng)磕傷而導緻它(tā)過早疲勞斷裂(liè)（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(neng)在使用過程中(zhōng)磕碰産🤟生，制造(zao)過程前面已述(shù)，而在使用過程(chéng)💘，使用者要檢💃🏻查(cha)使用環境，避✏️免(miǎn)彈簧受碰撞🈲等(děng)。
4、工作溫度的影(yǐng)響
因不同的材(cái)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(zhǒng)性❓能。不僅如此(cǐ)，彈✔️簧的彈性模(mó)量E和切變模量(liang)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(gòng)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(zhi)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(hū)所有😘閥簧🏃🏻都被(bei)壓縮在閥座孔(kǒng)💘内，喪失了閥簧(huáng)的工作性能而(er)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(dàn)其塑性和韌性(xing)下降，特别是當(dāng)溫度低于該材(cái)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。
