彈簧是(shi)一般機(ji)械不可(ke)缺少的(de)零件，它(ta)在工作(zuo)過程中(zhong)✊起到🚶♀️緩(huan)😘沖平衡(héng)、儲存能(neng)量、自動(dòng)控制、回(hui)位定位(wei)、安全保(bao)險等作(zuo)用。彈簧(huang)在使用(yòng)過程中(zhōng)常因各(gè)種原因(yīn)💞導緻失(shi)效而引(yin)起機械(xiè)故障。為(wéi)此，有必(bì)要讨論(lun)引起彈(dàn)簧失效(xiào)的原因(yin)及預防(fáng)措施。
導(dao)緻彈簧(huang)失效的(de)主要因(yin)素有材(cái)料缺陷(xian)，加工制(zhì)造缺陷(xiàn)，熱處理(lǐ)不當，表(biǎo)面處理(li)不當，工(gong)作環境(jìng)因素等(deng)。通過對(duì)近幾年(nián)21個彈簧(huáng)失效案(an)例的彙(hui)總分析(xi)，彈簧表(biǎo)面缺😍陷(xiàn)，包括碰(pèng)撞磕🐅痕(hén)、微動㊙️磨(mo)損、凹坑(keng)等造成(cheng)彈簧失(shi)效的比(bi)例最大(dà)，占50%；另外(wai)還有裂(lie)紋占有(you)20%；夾雜、疏(shū)松13%；脫碳(tàn)、熱處理(li)、表面強(qiáng)化分别(bié)占3%左右(you)🛀。彈簧失(shī)效可由(you)一種原(yuán)因引起(qǐ)，也可由(you)幾種👈原(yuan)因因素(su)綜合作(zuo)用所緻(zhi)。因此♈，對(dui)彈簧的(de)失效分(fen)析必須(xu)❓先對實(shi)例的失(shi)效現象(xiang)進行種(zhong)種調🛀查(chá)分析，弄(nòng)清楚其(qi)失效模(mo)式，然後(hòu)找出其(qi)失效的(de)原因因(yīn)素，從💞而(er)提出改(gǎi)進措施(shī)。
一、彈簧(huáng)原材料(liao)引起的(de)彈簧失(shī)效:
1、由于(yú)鋼的冶(ye)煉方法(fa)不同，會(hui)使鋼中(zhōng)存在不(bú)同程度(dù)造成彈(dan)簧早期(qī)疲勞失(shī)效的夾(jia)雜物，夾(jia)雜物過(guò)量或尺(chǐ)寸過大(da)，均勻度(dù)不好都(dou)會影響(xiǎng)材料的(de)力學性(xing)能，容易(yì)早⛹🏻♀️期疲(pí)勞失效(xiao)。
實例：某(mǒu)公司一(yī)件型号(hao)為SY6480（Ф22mm）的車(chē)輛懸架(jià)用扭杆(gan)彈簧，在(zai)新車出(chū)🐅庫時便(bian)發生斷(duan)裂，分析(xi)認為斷(duàn)裂起源(yuan)于✉️彈簧(huáng)亞表面(miàn)存🈲在的(de)一個粗(cu)大脆性(xing)夾雜物(wù)（如圖1，圖(tú)2(圖1的放(fang)大圖)）。
預(yu)防措施(shī)：彈簧材(cái)料必須(xū)有優良(liang)的冶金(jīn)質量，如(rú)嚴格控(kòng)制化學(xué)成分、高(gao)純淨度(du)，較低夾(jiá)雜物含(hán)量，同時(shi)還要求(qiú)材料成(cheng)分和組(zu)織的均(jun)勻性和(he)穩定性(xìng)。為了降(jiang)低鋼中(zhōng)有害氣(qì)體和🚶♀️雜(za)質元素(su)，提高鋼(gang)的純淨(jing)度，應采(cai)用真空(kong)冶煉及(jí)電渣重(zhòng)熔等精(jīng)煉技術(shu)。
2、軋制過(guo)程可能(neng)引起的(de)缺陷：殘(cán)餘縮管(guǎn)及中心(xin)裂紋；折(she)疊缺陷(xian)🌈（如圖3）；線(xian)狀缺陷(xian)、劃痕；表(biao)面鏽蝕(shí)坑；過燒(shāo)、桔皮狀(zhuang)💋表面、麻(ma)坑；這些(xie)都可能(néng)導緻彈(dàn)簧失效(xiào)。所以鋼(gang)廠應盡(jin)量避免(miǎn)和消除(chu)軋制過(guò)程中産(chǎn)生的缺(que)陷，彈簧(huáng)廠應加(jia)強對彈(dan)簧原材(cái)料質量(liàng)檢查，盡(jin)量采用(yong)表面質(zhi)量好的(de)❄️材料。
冷(lěng)成形螺(luó)旋彈簧(huáng)在卷簧(huang)時由于(yú)卷簧過(guò)程中工(gōng)藝裝備(bei)不良或(huo)🙇🏻調整操(cao)作不當(dang)會産生(shēng)彈簧的(de)表面缺(que)🈲陷。如自(zi)動卷簧(huang)機上切(qie)斷彈簧(huáng)時切刀(dāo)就有可(kě)能插傷(shang)鄰近彈(dàn)簧圈鋼(gang)絲的内(nei)表面。熱(rè)成形彈(dàn)簧由于(yú)熱成形(xíng)加熱溫(wēn)度過高(gāo)彈簧表(biao)面産生(sheng)桔皮狀(zhuang)缺陷，使(shi)彈簧疲(pí)勞壽命(mìng)大幅度(du)降低。或(huo)者，熱成(chéng)形時，由(yóu)于加熱(re)溫度過(guo)低，鋼的(de)塑性不(bu)夠，熱成(chéng)形過程(cheng)中彈簧(huang)表面應(yīng)力超過(guò)材料㊙️強(qiáng)度極限(xiàn)會産生(shēng)☁️裂紋[1]。所(suǒ)以在制(zhi)造過程(cheng)中也要(yao)加強對(dui)彈簧表(biao)面質量(liàng)檢查，盡(jìn)量避免(miǎn)表面缺(que)陷的産(chan)生。
二、制(zhi)造過程(chéng)中引起(qi)的彈簧(huáng)失效:
冷(lěng)成形螺(luó)旋彈簧(huang)在卷簧(huang)時由于(yú)卷簧過(guò)程中工(gōng)藝💯裝備(bei)不良或(huò)🈲調整操(cāo)作不當(dāng)會産生(shēng)彈簧的(de)表面缺(que)🈲陷。如🧡自(zì)動卷簧(huáng)機上🈲切(qiē)斷彈簧(huáng)時切刀(dao)就有可(kě)能插傷(shang)鄰近彈(dan)簧圈💋鋼(gang)絲的内(nei)表面🤩。熱(rè)成形彈(dan)簧由于(yú)熱成形(xíng)加熱溫(wēn)度過高(gao)彈簧表(biǎo)面産生(shēng)桔皮狀(zhuang)缺陷，使(shǐ)彈簧疲(pi)勞壽命(ming)大幅度(du)降低。或(huo)者，熱成(cheng)形時，由(you)于加☁️熱(rè)溫度過(guo)低，鋼的(de)塑性不(bu)夠，熱成(chéng)形過程(chéng)中彈🐪簧(huang)表面應(ying)力超過(guo)材料強(qiang)度極限(xiàn)會産生(sheng)💚裂紋。所(suǒ)以在制(zhi)造過程(chéng)中也要(yào)加強對(duì)彈簧表(biǎo)面質量(liang)檢查，盡(jìn)量避免(mian)表面缺(que)⭐陷的産(chǎn)生。
三、熱(rè)處理工(gōng)藝缺陷(xian)造成的(de)彈簧失(shi)效:
彈簧(huang)在加熱(re)或冷卻(que)期間表(biǎo)面和中(zhōng)心溫度(du)分布不(bu)均勻會(huì)引起熱(rè)應力，相(xiang)變的過(guò)程會造(zào)成組織(zhī)應力,其(qi)總🏃🏻♂️值超(chāo)過材料(liao)的強度(dù)極限時(shi)會導緻(zhì)開裂。這(zhè)種缺陷(xian)多見于(yu)尺寸較(jiào)大的在(zai)水中淬(cui)火的彈(dan)簧,其裂(lie)紋産生(shēng)後無法(fǎ)修複隻(zhī)能報廢(fèi)。另外原(yuan)材料的(de)缺陷，如(ru)鋼中的(de)殘餘縮(suō)孔、白點(diǎn)🍉、冷加工(gong)刀痕、冷(leng)拉和熱(rè)軋過程(cheng)中的劃(hua)痕、折疊(die)等缺陷(xian)，都會造(zao)成淬火(huǒ)時的應(ying)力集中(zhong)而開裂(liè)。如圖4所(suǒ)示即為(wei)某公司(sī)彈簧由(you)于最初(chu)的表面(mian)上的短(duan)淺折疊(die)裂紋，在(zai)淬火熱(re)處理時(shí)，該裂紋(wen)沿徑🌏向(xiang)擴展至(zhì)3.9mm，在♋做疲(pi)勞💔試驗(yan)時，它首(shǒu)先擴展(zhan)，直至達(da)到臨界(jie)尺寸而(ér)引⛱️起彈(dàn)簧的瞬(shun)時破斷(duàn)。熱處💞理(lǐ)不當産(chan)生的非(fei)正常組(zu)織如粗(cū)大的淬(cui)火馬氏(shì)體；先共(gòng)🐉析鐵素(sù)體或遊(yóu)離鐵素(su)體；碳化(hua)物偏析(xi)；彈簧的(de)熱處理(li)變形；表(biǎo)面氧化(huà)與脫碳(tàn)都會造(zào)成彈簧(huang)失效。
實(shi)例:某廠(chǎng)60Si2MnA熱成型(xíng)彈簧,d=25，D=120，n=5，在(zài)溫度900～950℃卷(juàn)制成型(xing),卷後一(yī)次淬火(huǒ),470～490℃回火。裝(zhuang)車使用(yong)後彈簧(huang)連續幾(jǐ)次發生(shēng)早期失(shi)效。對已(yǐ)失效的(de)彈簧進(jin)行檢查(chá),發現個(gè)别彈簧(huáng)出現淬(cui)火裂🙇♀️紋(wen),經爐☀️氣(qì)成分分(fèn)析發現(xian),大約❌有(you)一個月(yuè)煤氣成(cheng)分不當(dāng),發熱量(liang)偏高,使(shǐ)爐溫過(guo)高,個♉别(bié)彈簧過(guo)🌈熱,奧氏(shi)體晶粒(lì)粗大,水(shui)中淬火(huo)後出現(xiàn)👈淬火裂(lie)紋,由于(yú)水的冷(lěng)卻能🚶力(li)很強,在(zài)奧氏♻️體(tǐ)向馬氏(shì)體轉變(biàn)溫度區(qū)，彈簧表(biǎo)面與心(xin)部溫差(cha)增大，因(yin)馬氏體(ti)相變的(de)先後不(bú)同,引起(qǐ)很大的(de)組織應(ying)力,因而(ér)出🔴現裂(liè)紋。
預防(fáng)措施：除(chú)嚴格控(kòng)制好加(jiā)熱溫度(dù)、保溫時(shí)間外，控(kòng)制爐内(nèi)氣氛是(shì)很重要(yào)的，定期(qī)分析加(jiā)熱煤氣(qi)成分,保(bao)證熱量(liàng)👄供應正(zhèng)常；為了(le)減少變(biàn)形,杜絕(jué)淬火開(kai)裂，除了(le)尺寸過(guo)大的熱(rè)成形彈(dàn)簧外,一(yi)般熱成(chéng)形彈簧(huáng)采用在(zài)油中冷(leng)卻。
四、表(biǎo)面處理(lǐ)工藝不(bu)當造成(cheng)的彈簧(huang)失效:
1、表(biao)面噴丸(wan)強化工(gōng)藝，噴丸(wán)強化設(shè)備、工藝(yì)方法及(ji)操作😘水(shui)🌐平對♍噴(pēn)丸強化(huà)有很大(da)的影響(xiǎng)，如果制(zhì)造者不(bú)把噴丸(wan)工藝當(dang)作一個(gè)重要的(de)強化工(gong)藝，充分(fèn)注意噴(pen)丸工藝(yì)的控制(zhì)，也不進(jin)行工藝(yi)效果的(de)必要檢(jiǎn)測，那麼(me)噴丸處(chù)理有可(ke)能得不(bú)到它應(ying)有的強(qiáng)化效果(guo)，甚至可(ke)能成為(wéi)彈簧發(fa)生早期(qi)失效的(de)誘因。
實(shi)例：某廠(chǎng)進口的(de)彈簧原(yuan)材料，是(shì)經滲氮(dàn)表面處(chù)理的，表(biao)👉面硬度(dù)較高，經(jing)噴丸處(chù)理後，導(dǎo)緻表面(miàn)産生裂(lie)紋而最(zuì)終🏒斷裂(liè)。所以針(zhēn)對⭐不同(tong)的材料(liào)，經不同(tóng)的工藝(yi)處理後(hou)，要選擇(ze)的合🈲适(shi)的噴丸(wan)工藝。
2、電(diàn)鍍時彈(dan)簧表面(mian)及鍍層(céng)中富含(han)的氫氣(qì)，如不能(neng)得到及(ji)時和充(chong)🌈分的清(qīng)除，可導(dao)緻彈簧(huang)在工作(zuo)時的氫(qing)緻滞後(hòu)斷裂而(er)🔞失效。有(yǒu)時在氧(yǎng)化處理(lǐ)或磷化(hua)處理前(qián)，為了去(qù)除彈♊簧(huang)表面的(de)氧化皮(pí)和鏽迹(ji)，需進行(hang)酸洗。當(dāng)酸洗過(guò)度造成(chéng)氫大量(liàng)滲入零(ling)件内部(bu)，而又未(wèi)能及時(shí)和充☀️分(fèn)的除氫(qing)處🧑🏾🤝🧑🏼理時(shi)，可導緻(zhì)✍️彈簧的(de)氫脆📧斷(duàn)裂失效(xiào)。
實例：直(zhí)徑0.6mm的70"冷(lěng)拔碳素(su)彈簧鋼(gāng)絲鍍镉(gé)後，制成(chéng)中徑4.0mm扭(niu)轉彈簧(huang)，在裝配(pèi)時發生(sheng)斷裂。采(cai)用能譜(pǔ)分析(EDS)、金(jīn)相❓分析(xi)和掃描(miao)電鏡(SEM)對(dui)斷口進(jin)行了宏(hóng)觀和微(wēi)觀檢測(cè)及分析(xi)。結果表(biao)明：彈簧(huang)☀️在繞制(zhì)過程中(zhōng)的殘餘(yu)拉應力(lì)以及在(zai)鍍前接(jiē)觸了含(han)氫介質(zhi)，緻使大(da)量的氫(qing)殘留并(bìng)呈彌散(sàn)分布形(xing)态，進而(ér)形成沿(yán)晶裂紋(wen)，在外力(lì)💃作用下(xià)，導緻🐆彈(dan)簧沿晶(jīng)脆性斷(duàn)裂。
五、工(gong)作條件(jiàn)對彈簧(huang)失效的(de)影響:
1、負(fù)載狀況(kuang)對彈簧(huang)失效的(de)影響
通(tong)用機械(xie)中受沖(chong)擊作用(yòng)的彈簧(huang)很多，如(rú)噴油泵(beng)之柱塞(sāi)彈簧。這(zhè)💋種彈簧(huáng)常在第(di)二、三圈(quān)處折斷(duàn)，因為第(di)二、三圈(quān)首先受(shòu)到沖擊(ji)載荷且(qiě)不能足(zú)夠快地(dì)傳給其(qí)它各圈(quān)，頭幾圈(quān)承受了(le)大部分(fèn)沖擊，且(qiě)比其各(gè)圈變形(xing)大得多(duo)。
設計者(zhě)應考慮(lǜ)到動力(li)效應，盡(jìn)可能避(bi)免一端(duān)的交變(biàn)運動與(yǔ)❓彈💃簧的(de)自然頻(pín)率之一(yī)發生共(gòng)振。但有(you)時共振(zhèn)現象無(wú)法避免(mian)，應力幅(fú)度會增(zeng)加5%以上(shang)，則要采(cǎi)取相應(ying)措施，例(li)🥰如采用(yòng)👌較高的(de)自然頻(pin)🔞率，使其(qí)不與低(di)次諧波(bo)共振。設(she)計合理(li)的凸輪(lún)外形,以(yi)降低工(gōng)作🌈階段(duàn)的節距(ju)。減少彈(dan)簧端部(bu)的節距(jù),以改變(biàn)沖擊時(shi)🌍的自然(ran)頻率；對(duì)💋彈簧中(zhong)部增用(yong)摩擦強(qiáng)迫阻尼(ni)。
嚴格說(shuō)來，彈簧(huáng)工作時(shi)，載荷不(bú)可能作(zuo)用在幾(jǐ)何中心(xīn)線上，會(hui)🏃🏻形🔆成偏(piān)心載荷(hé)，總偏一(yi)個距離(lí)e，這種負(fù)載偏心(xin)要産生(shēng)附加的(de)應力，而(er)使彈簧(huang)安全應(yīng)力顯著(zhe)減小，導(dao)緻彈簧(huáng)過早失(shī)⚽效。另外(wài)彈簧運(yun)🔞行之初(chu)承受過(guo)載荷也(ye)非常危(wei)險，初期(qī)過載損(sǔn)傷的累(lèi)積将降(jiàng)低彈簧(huang)疲勞極(ji)限而導(dǎo)緻早期(qī)疲勞斷(duan)裂。
2、環境(jìng)因素對(dui)彈簧失(shī)效的影(ying)響
在腐(fu)蝕環境(jìng)中承受(shou)交變載(zai)荷将發(fā)生腐蝕(shi)疲勞，由(you)于腐蝕(shí)環境能(neng)加速疲(pí)勞的萌(meng)生和擴(kuò)展，因而(ér)會顯🔴著(zhe)降低彈(dàn)簧的疲(pi)勞壽命(mìng)。例如彈(dan)簧鋼試(shi)樣在淡(dan)水腐蝕(shí)下的持(chí)久❗極限(xian)僅是大(da)氣中的(de)10%～25%。
實例：對(duì)某電廠(chang)汽輪機(jī)主汽門(mén)操縱座(zuò)彈簧的(de)斷裂👣失(shī)效進行(háng)了分析(xī)。結果表(biǎo)明：彈簧(huang)材料化(hua)學成分(fèn)及組織(zhi)都符🈚合(hé)國家标(biāo)準，導緻(zhì)其早期(qī)疲勞斷(duàn)裂的主(zhǔ)🔅要原因(yīn)是彈簧(huang)表面的(de)✔️腐蝕坑(keng)（如圖5，圖(tú)6）；腐蝕坑(keng)是在彈(dàn)簧使用(yong)前的放(fàng)置過程(chéng)中形成(chéng)的，改善(shàn)彈簧放(fang)置環境(jìng)和縮短(duan)放置時(shí)間可以(yǐ)避免腐(fǔ)蝕坑的(de)産生。
在(zài)彈簧類(lèi)零件中(zhōng)，如螺旋(xuan)壓縮彈(dàn)簧的兩(liǎng)個端圈(quan)，拉伸彈(dàn)簧的彎(wān)鈎，扭杆(gan)的固定(ding)端，闆簧(huang)的片與(yǔ)片之間(jian)🏃都可能(néng)産生微(wēi)動磨損(sǔn)（如圖7，圖(tú)8）。某公司(sī)的離合(hé)器減振(zhèn)彈簧在(zài)疲勞試(shì)驗中斷(duàn)裂，經分(fen)析彈✂️簧(huáng)多處受(shou)到外力(lì)碰撞摩(mó)擦，造成(cheng)彈簧過(guo)渡圈的(de)接觸帶(dai)位置發(fā)生偏移(yi)，使得微(wei)振磨損(sǔn)不隻發(fa)生在一(yī)個平面(mian)上，造成(chéng)不同微(wei)振🧑🏾🤝🧑🏼磨損(sun)平面的(de)交叠，導(dao)緻平面(miàn)相交處(chù)的應力(li)集中，導(dǎo)緻斷❗裂(lie)。
預防措(cuò)施：可采(cǎi)取用抗(kang)腐蝕的(de)材料或(huò)者在彈(dan)簧表面(miàn)形成一(yī)個🐆保護(hù)層的表(biao)面處理(lǐ)方法來(lái)解決。
3、微(wēi)動磨損(sǔn)及碰撞(zhuang)磕痕、凹(ao)坑
預防(fang)措施：除(chú)消除振(zhen)動和改(gǎi)進結構(gou)設計外(wai)，采用各(gè)種表面(mian)💜處理👅如(rú)離子注(zhù)入，化學(xue)熱處理(lǐ)以及噴(pēn)丸、滾壓(yā)等表面(miàn)🔞硬化工(gōng)藝，提高(gao)💁表面的(de)耐磨和(he)疲勞性(xing)能，可以(yi)提高其(qí)抵抗微(wei)動磨損(sun)的🌏能力(lì)。而降低(dī)表面的(de)摩擦系(xì)數✔️即通(tōng)過潤滑(huá)方式包(bao)💜括固體(ti)、半固體(ti)、及液👄體(tǐ)也可以(yǐ)減緩微(wei)動損傷(shāng)的進程(chéng)。
彈簧因(yīn)為表面(miàn)磕痕、凹(ao)坑等引(yin)起彈簧(huang)失效的(de)情況很(hen)多，在失(shī)效件中(zhong)占很大(dà)比例。如(rú)某公司(sī)離合器(qi)從動盤(pán)♉彈簧🔴由(yóu)于彈簧(huáng)表面存(cun)在的嚴(yan)重磕傷(shāng)而導緻(zhi)它過早(zao)疲勞斷(duàn)裂（如圖(tú)9，圖10）。這種(zhǒng)表面缺(quē)陷可能(néng)發生在(zai)彈簧制(zhi)造過程(chéng)中，也可(ke)能在使(shi)用過程(cheng)中磕碰(peng)産生，制(zhì)造過程(cheng)前面已(yi)述，而在(zai)使用過(guò)程，使用(yòng)者要檢(jiǎn)☂️查使用(yong)環境，避(bì)免彈簧(huang)受碰撞(zhuang)等。
4、工作(zuo)溫度的(de)影響
因(yīn)不同的(de)材料有(yǒu)不同的(de)耐熱性(xing)能，溫度(du)升高時(shi)，金☀️屬會(hui)受熱膨(péng)🏃脹，尺寸(cùn)的相應(yīng)變化會(hui)改變彈(dan)簧的各(ge)種性能(néng)。不僅如(rú)此，彈🎯簧(huáng)的彈性(xing)模量E和(hé)切變模(mó)量G下降(jiàng)，因此，即(ji)使在載(zǎi)荷不變(bian)的條件(jiàn)下，彈♻️簧(huang)的變形(xíng)量😍将增(zēng)大。而㊙️且(qie)，在應力(lì)、溫度和(he)時間的(de)共同作(zuò)用下，變(bian)形和松(song)弛将是(shi)彈簧失(shī)效的一(yi)個重要(yao)模式。
實(shí)例：采用(yong)琴鋼絲(sī)制造的(de)壓縮機(jī)閥簧，如(rú)長時間(jiān)在160℃以上(shàng)工作，由(you)于應力(li)松弛和(hé)高度的(de)減小，幾(ji)乎所有(you)閥簧都(dōu)被壓縮(suō)在閥座(zuo)孔内，喪(sang)失了閥(fá)簧的工(gōng)作性能(neng)而失效(xiao)。
低溫與(yu)高溫條(tiao)件相反(fan)，低溫會(hui)使材料(liào)的彈性(xìng)模量㊙️、硬(ying)度及強(qiang)度⛱️增加(jia)，但其塑(su)性和韌(rèn)性下降(jiàng)，特别是(shi)當溫度(dù)低于該(gāi)材🈲料的(de)冷脆轉(zhuan)變溫度(dù)時，材料(liào)的脆性(xìng)将非常(cháng)嚴重，例(lì)如，在零(líng)🐕下40℃時，在(zai)沖擊載(zǎi)荷條件(jian)下工作(zuo)的彈簧(huáng)往往會(huì)碎成幾(ji)段。
