彈(dàn)簧是一(yi)般機械(xie)不可缺(quē)少的零(ling)件，它在(zài)工作過(guo)程中🥰起(qi)到💞緩沖(chòng)平衡、儲(chu)存能量(liang)、自動控(kong)制、回位(wèi)定位、安(an)全保💯險(xian)等作用(yòng)。彈簧‼️在(zài)使用過(guò)程中常(cháng)因各種(zhǒng)原因導(dǎo)緻失💁效(xiao)而引起(qi)機械故(gu)障。為🧑🏽🤝🧑🏻此(cǐ)，有必要(yao)讨論引(yǐn)起彈簧(huang)失效的(de)原因及(jí)預防措(cuò)施。
導緻(zhi)彈簧失(shi)效的主(zhǔ)要因素(su)有材料(liào)缺陷，加(jiā)工制造(zao)缺陷，熱(rè)處理🔅不(bú)當，表面(mian)處理不(bu)當，工作(zuò)環境因(yin)素等✂️。通(tong)過對近(jìn)幾年✉️21個(gè)彈簧失(shī)效案例(lì)的彙總(zǒng)分析，彈(dan)簧表面(mian)缺陷，包(bao)括🈲碰撞(zhuang)磕痕、微(wei)動磨損(sun)、凹坑等(děng)造成彈(dàn)簧失效(xiao)的🐉比例(li)最大，占(zhàn)50%；另外還(hai)有裂紋(wén)占有20%；夾(jiá)雜、疏㊙️松(sōng)13%；脫碳、熱(rè)處理、表(biao)面強化(hua)♻️分别占(zhàn)3%左右。彈(dàn)簧失效(xiao)可🔞由一(yī)種原因(yin)引起，也(ye)可由幾(ji)種原因(yin)因素綜(zōng)合作用(yong)所緻。因(yin)此，對彈(dan)簧的失(shi)效分析(xi)必須先(xian)對實例(lì)的失效(xiao)現象進(jin)行種種(zhong)調查分(fèn)析，弄清(qīng)楚其失(shi)♍效模式(shi)，然後找(zhao)出其⛹🏻♀️失(shī)效的原(yuan)因因素(sù)，從而提(ti)出改進(jìn)措施。
一(yī)、彈簧原(yuán)材料引(yǐn)起的彈(dàn)簧失效(xiao):
1、由于鋼(gāng)的冶煉(lian)方法不(bú)同，會使(shi)鋼中存(cun)在不同(tong)程度♌造(zao)成彈簧(huáng)🥰早期疲(pí)勞失效(xiao)的夾雜(za)物，夾雜(zá)物過量(liang)或📱尺寸(cùn)過大，均(jun)勻🔞度不(bú)好都會(huì)影響材(cai)料的力(lì)學性能(neng)，容易早(zǎo)🈲期疲勞(láo)失效。
實(shi)例：某公(gong)司一件(jiàn)型号為(wei)SY6480（Ф22mm）的車輛(liàng)懸架用(yong)扭杆彈(dan)簧🌍，在新(xīn)車出庫(kù)時便發(fā)生斷裂(lie)，分析認(ren)為斷裂(liè)起源于(yú)彈簧亞(ya)表面存(cún)在的一(yī)個粗大(da)脆性夾(jiá)雜物（如(ru)圖1，圖🍓2(圖(tu)1的放大(dà)圖)）。
預防(fáng)措施：彈(dan)簧材料(liao)必須有(yǒu)優良的(de)冶金質(zhì)量，如嚴(yan)格控制(zhi)化☁️學成(cheng)分、高純(chun)淨度，較(jiào)低夾雜(zá)物含量(liang)，同時還(hai)要🏃🏻♂️求材(cai)料成分(fen)和組織(zhi)的均勻(yun)性和穩(wěn)定性。為(wéi)了降低(di)鋼中有(yǒu)害氣體(tǐ)和雜質(zhì)元素，提(tí)高鋼的(de)純淨度(dù)，應采用(yòng)真空冶(ye)煉及電(diàn)渣重熔(róng)等精煉(lian)技術。
2、軋(zhá)制過程(chéng)可能引(yǐn)起的缺(quē)陷：殘餘(yú)縮管及(jí)中心裂(liè)紋；折疊(dié)缺🥵陷🐆（如(rú)圖3）；線狀(zhuang)缺陷、劃(hua)痕；表面(mian)鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔(jú)皮狀表(biǎo)面、麻坑(keng)；這些都(dōu)可能導(dao)緻彈簧(huang)失效。所(suǒ)以鋼廠(chǎng)應盡量(liang)避免和(hé)消除軋(zhá)制過程(chéng)中産生(shēng)的缺陷(xian)，彈簧廠(chang)應加強(qiang)對彈簧(huang)原材料(liào)質🔞量檢(jian)查，盡量(liàng)采用表(biǎo)👉面質量(liang)好的材(cai)料。
冷成(cheng)形螺旋(xuán)彈簧在(zai)卷簧時(shi)由于卷(juan)簧過程(chéng)中工藝(yì)裝備不(bú)良或📐調(diao)整操作(zuo)不當會(huì)産生彈(dàn)簧的表(biao)面缺陷(xian)。如自動(dong)卷簧機(ji)上☎️切斷(duàn)彈簧時(shí)切刀就(jiu)有可能(neng)插💛傷鄰(lín)近彈簧(huáng)圈🍓鋼絲(si)的内表(biao)面。熱成(chéng)形彈簧(huáng)由于熱(rè)成形加(jia)熱溫度(du)過高彈(dan)簧表面(mian)産生桔(jú)皮狀缺(que)陷，使彈(dan)簧疲勞(láo)壽💰命大(dà)幅度降(jiàng)低。或者(zhe)，熱成🤟形(xing)時，由于(yú)加熱溫(wēn)度過低(di)🐆，鋼的塑(su)性不夠(gòu)，熱成形(xing)過程中(zhong)彈簧表(biǎo)面應力(lì)超過材(cai)料強度(dù)極限會(hui)産生裂(lie)紋[1]。所以(yi)在制造(zào)過程中(zhong)也要加(jiā)強💜對彈(dan)簧表面(miàn)質量檢(jiǎn)查，盡量(liàng)避免表(biǎo)面缺陷(xian)的産生(sheng)。
二、制造(zào)過程中(zhong)引起的(de)彈簧失(shī)效:
冷成(chéng)形螺旋(xuán)彈簧在(zài)卷簧時(shí)由于卷(juan)簧過程(chéng)中工藝(yì)裝備✍️不(bu)良或調(diào)整操作(zuo)不當會(hui)産生彈(dan)簧的表(biǎo)面缺陷(xiàn)。如自動(dong)卷簧機(jī)上切斷(duàn)彈簧時(shí)切刀就(jiù)有可能(néng)插傷鄰(lin)近彈簧(huang)圈‼️鋼絲(si)的内表(biǎo)面。熱成(chéng)形彈簧(huang)由于熱(re)成形加(jia)熱溫度(dù)過高彈(dàn)簧表面(mian)💋産生桔(ju)皮狀缺(quē)陷，使彈(dan)簧疲勞(lao)壽命大(dà)幅度降(jiang)🥰低。或者(zhě)，熱成形(xing)時，由于(yu)加熱溫(wēn)度過低(dī)，鋼🚶♀️的塑(sù)性不夠(gòu)，熱成形(xíng)過程中(zhōng)彈簧表(biao)面應力(li)超🈚過材(cai)料強度(du)極限會(huì)産生裂(lie)紋。所以(yǐ)在制造(zào)過程中(zhōng)也要加(jiā)強🈚對彈(dàn)簧表面(mian)質量檢(jiǎn)查，盡量(liàng)避免表(biao)面缺💞陷(xian)的産生(shēng)。
三、熱處(chù)理工藝(yi)缺陷造(zào)成的彈(dàn)簧失效(xiào):
彈簧在(zai)加熱或(huò)冷卻期(qi)間表面(miàn)和中心(xin)溫度分(fen)布不均(jun)勻會🌈引(yin)起熱應(ying)力，相變(bian)的過程(chéng)會造成(cheng)組織應(yīng)力,其總(zong)值超過(guo)材料的(de)強度極(ji)限時會(hui)導緻開(kai)裂。這種(zhǒng)缺陷多(duō)見于尺(chi)寸較大(dà)的在水(shui)中淬火(huǒ)💃的彈簧(huáng),其裂紋(wén)産生後(hou)無法修(xiū)複隻能(neng)報廢。另(lìng)外原材(cái)料的缺(quē)陷💃，如鋼(gang)中的殘(can)餘縮孔(kǒng)、白點、冷(lěng)加工刀(dao)痕、冷拉(la)和熱軋(zha)過程中(zhōng)的劃痕(hen)、折疊等(děng)缺陷，都(dōu)會造成(chéng)淬火時(shi)的應力(lì)集中而(er)開裂。如(ru)圖4所示(shi)✔️即為某(mou)公司彈(dan)簧由于(yú)最初的(de)表面上(shang)的短淺(qian)折疊裂(liè)紋，在淬(cuì)火熱處(chù)理時，該(gāi)🔞裂紋沿(yán)徑向擴(kuò)展至3.9mm，在(zài)做疲勞(lao)💋試驗時(shí)，它首先(xian)擴展，直(zhi)至達到(dao)臨界尺(chǐ)🌈寸而引(yǐn)起彈簧(huáng)的瞬時(shi)破斷。熱(re)處理不(bú)當産生(shēng)的非正(zheng)常組織(zhi)如粗大(dà)的淬火(huǒ)馬氏體(ti)🏒；先共㊙️析(xi)鐵素體(tǐ)或遊離(li)鐵素體(tǐ)；碳📐化物(wù)偏析；彈(dàn)簧的熱(rè)處理變(biàn)形；表面(mian)氧化與(yu)脫碳都(dōu)🙇🏻會造成(chéng)彈簧失(shi)效。
實例(lì):某廠60Si2MnA熱(rè)成型彈(dàn)簧,d=25，D=120，n=5，在溫(wēn)度900～950℃卷制(zhì)成型,卷(juan)後一次(cì)淬火🈲,470～490℃回(huí)火💘。裝車(chē)使用後(hou)彈簧連(lián)續幾次(cì)發生早(zao)期失效(xiao)。對已失(shi)效的🔱彈(dàn)簧進行(háng)檢查,發(fā)現個别(bie)彈簧出(chu)現淬火(huo)裂紋,經(jīng)爐氣成(chéng)分分析(xi)發現,大(dà)約有一(yī)個月煤(mei)氣成分(fèn)不當,發(fa)熱量偏(piān)高,使爐(lú)溫過高(gao),個别彈(dàn)簧過熱(re),奧氏體(tǐ)晶粒粗(cu)大,水中(zhōng)淬火後(hòu)出現☎️淬(cuì)火裂紋(wen),由于水(shuǐ)的冷卻(que)能力很(hen)強,在奧(ao)氏體向(xiàng)馬氏體(tǐ)轉㊙️變溫(wen)度區，彈(dan)簧❄️表面(miàn)與心部(bù)溫差增(zēng)大，因馬(mǎ)氏體相(xiàng)變的先(xiān)後不同(tóng),引起很(hen)大的組(zu)織應力(li),因而出(chu)🍉現裂紋(wen)。
預防措(cuo)施：除嚴(yán)格控制(zhì)好加熱(rè)溫度、保(bao)溫時間(jian)外，控制(zhì)爐👅内氣(qi)氛是很(hen)重要的(de)，定期分(fèn)析加熱(re)煤氣成(chéng)分,保證(zhèng)🔴熱量供(gong)應🌏正常(chang)🔞；為了減(jiǎn)少變形(xing),杜絕淬(cuì)火開裂(lie)，除了尺(chi)🔴寸過大(dà)的熱成(chéng)形彈簧(huáng)外,一般(ban)熱成形(xing)彈簧采(cai)用在油(yóu)中冷卻(que)。
四、表面(miàn)處理工(gōng)藝不當(dāng)造成的(de)彈簧失(shī)效:
1、表面(miàn)噴丸強(qiáng)化工藝(yi)，噴丸強(qiang)化設備(bei)、工藝方(fāng)法及操(cao)作水平(píng)對噴丸(wán)強化有(yǒu)很大的(de)影響，如(rú)果制造(zao)者不把(bǎ)噴丸工(gong)藝當作(zuo)一👨❤️👨個重(zhòng)🏃要的強(qiáng)化工藝(yì)，充分注(zhu)意噴丸(wán)工藝的(de)控制，也(ye)不🚶進行(hang)工🐆藝效(xiào)果的必(bi)要檢測(cè)，那麼噴(pen)丸處理(lǐ)有可能(néng)得不到(dao)🆚它應有(you)的強化(huà)效果，甚(shen)至可能(neng)成‼️為彈(dan)簧發生(sheng)早期失(shī)效的誘(yòu)因。
實例(li)：某廠進(jin)口的彈(dan)簧原材(cái)料，是經(jing)滲氮表(biǎo)面處理(li)❌的，表面(miàn)硬度較(jiào)高，經噴(pen)丸處理(lǐ)後，導緻(zhì)表面産(chǎn)生裂紋(wen)而最終(zhong)斷裂。所(suo)以針對(duì)不同的(de)材料，經(jing)不同的(de)工藝處(chù)理後，要(yào)選擇的(de)合适的(de)噴丸工(gong)藝。
2、電鍍(du)時彈簧(huáng)表面及(ji)鍍層中(zhōng)富含的(de)氫氣，如(rú)不能得(dé)到及時(shi)☂️和充分(fen)的清除(chu)，可導緻(zhì)彈簧在(zai)工作時(shí)的氫緻(zhì)滞後斷(duàn)裂而失(shi)效。有時(shi)在氧化(hua)處理或(huo)磷化處(chu)理前，為(wéi)了去除(chú)彈簧表(biǎo)面的氧(yang)化皮和(hé)鏽迹，需(xū)進行酸(suan)洗。當酸(suān)洗過度(du)造成🌍氫(qing)大量滲(shen)入零件(jian)内部，而(ér)又未能(néng)及時和(hé)充🈚分的(de)除氫處(chu)理時，可(ke)導緻彈(dàn)簧的氫(qīng)脆斷裂(lie)失效。
實(shí)例：直徑(jing)0.6mm的70"冷拔(ba)碳素彈(dàn)簧鋼絲(sī)鍍镉後(hòu)，制成中(zhōng)徑4.0mm扭轉(zhuǎn)彈簧，在(zai)裝配時(shi)發生斷(duàn)裂。采用(yòng)能譜分(fèn)析(EDS)、金相(xiàng)分析和(hé)掃描電(diàn)鏡(SEM)對斷(duan)口❤️進行(háng)了宏觀(guan)和微觀(guān)檢測及(ji)分析。結(jie)果表明(míng)：彈簧在(zai)繞制過(guo)程中的(de)殘餘拉(la)應力以(yi)及在🙇🏻鍍(dù)前接觸(chù)了含氫(qing)介質，緻(zhì)使大量(liàng)的氫殘(can)🌈留并呈(chéng)彌散分(fen)布形态(tai)，進而形(xing)成沿晶(jing)裂紋，在(zài)外力作(zuo)用下，導(dǎo)緻🧑🏽🤝🧑🏻彈簧(huang)沿晶脆(cui)性斷裂(lie)。
五、工作(zuo)條件對(dui)彈簧失(shi)效的影(yǐng)響:
1、負載(zǎi)狀況對(duì)彈簧失(shī)效的影(yǐng)響
通用(yong)機械中(zhong)受沖擊(jī)作用的(de)彈簧很(hen)多，如噴(pen)油泵之(zhi)柱塞🌈彈(dàn)簧。這🌏種(zhong)彈簧常(chang)在第二(èr)、三圈處(chù)折斷，因(yīn)為第二(èr)、三圈首(shǒu)先受到(dào)沖擊載(zǎi)荷且不(bú)能足夠(gou)快地傳(chuan)給其它(tā)各圈，頭(tóu)幾圈承(cheng)受了大(dà)部分沖(chòng)擊，且比(bi)其各圈(quān)變形大(dà)得多。
設(shè)計者應(ying)考慮到(dao)動力效(xiao)應，盡可(kě)能避免(mian)一端的(de)交變運(yun)動與✏️彈(dàn)簧的自(zi)然頻率(lü)之一發(fa)生共振(zhen)。但有時(shí)共振現(xian)象無法(fǎ)避免，應(ying)力幅度(dù)會增加(jia)5%以上，則(ze)要采取(qǔ)相應措(cuo)施，例如(rú)采用較(jiào)高的自(zi)然頻率(lü)，使其不(bu)與低次(cì)諧波共(gong)振。設計(jì)🔱合理的(de)凸輪外(wài)形,以降(jiang)低工作(zuò)🌏階段的(de)節距。減(jiǎn)少彈簧(huang)端⭐部的(de)節距,以(yi)改變沖(chong)擊時的(de)自然頻(pin)率；對🤩彈(dàn)簧中部(bu)增用摩(mó)擦強迫(pò)阻尼。
嚴(yán)格說來(lái)，彈簧工(gong)作時，載(zai)荷不可(ke)能作用(yong)在幾何(hé)中心👌線(xiàn)上，會形(xing)成偏心(xīn)載荷，總(zǒng)偏一個(gè)距離e，這(zhe)種負載(zai)偏心要(yao)産生附(fù)加的應(ying)力❄️，而使(shǐ)彈簧安(an)全應力(li)顯著減(jiǎn)小，導緻(zhì)彈簧過(guò)早失效(xiao)。另外彈(dan)簧運行(háng)之初承(cheng)受過載(zai)荷也非(fei)常危險(xian)，初期過(guò)載損傷(shang)的累積(ji)将降低(dī)彈簧疲(pí)勞極限(xian)而導緻(zhì)早期疲(pí)勞斷裂(lie)。
2、環境因(yin)素對彈(dàn)簧失效(xiao)的影響(xiang)
在腐蝕(shí)環境中(zhong)承受交(jiāo)變載荷(he)将發生(shēng)腐蝕疲(pi)勞，由🐉于(yu)腐蝕環(huán)境能加(jia)速疲勞(lao)的萌生(shēng)和擴展(zhǎn)，因而會(huì)顯🛀🏻著降(jiàng)低彈🐕簧(huang)的疲勞(láo)壽命。例(li)如彈簧(huang)鋼試樣(yàng)在淡水(shui)腐蝕下(xià)的持久(jiǔ)極限僅(jin)‼️是大氣(qì)中的10%～25%。
實(shí)例：對某(mǒu)電廠汽(qi)輪機主(zhu)汽門操(cao)縱座彈(dan)簧的斷(duan)裂失效(xiao)進行了(le)分析。結(jie)果表明(ming)：彈簧材(cai)料化學(xue)成分及(jí)組織都(dōu)符合國(guo)家标☂️準(zhun)，導緻其(qí)早期疲(pi)勞斷裂(liè)的主要(yao)原因是(shi)彈簧❗表(biǎo)面的腐(fu)蝕坑（如(ru)圖5，圖6）；腐(fǔ)蝕坑是(shì)在🙇🏻彈簧(huáng)使用前(qián)的放置(zhì)過程中(zhong)形成的(de)，改善彈(dan)簧放置(zhi)環境和(hé)縮短放(fàng)置時間(jiān)可以避(bi)免腐蝕(shí)坑的産(chǎn)生。
在彈(dàn)簧類零(ling)件中，如(rú)螺旋壓(ya)縮彈簧(huang)的兩個(gè)端圈，拉(la)❌伸☎️彈簧(huáng)的彎鈎(gou)，扭杆的(de)固定端(duān)，闆簧的(de)片與片(pian)之間都(dōu)可能産(chan)生微動(dòng)磨🐕損（如(ru)圖7，圖8）。某(mǒu)公司的(de)離合器(qi)減振彈(dàn)簧在疲(pí)勞試驗(yàn)中♉斷裂(lie)，經分析(xi)彈簧多(duō)處受到(dào)外力碰(peng)撞摩擦(ca)，造成彈(dàn)簧過渡(dù)圈的接(jiē)觸帶位(wei)置發🙇🏻生(sheng)偏移，使(shǐ)得微振(zhen)磨損不(bu)隻發生(sheng)在一個(ge)平面上(shang)，造⭐成不(bú)同微振(zhèn)磨損平(ping)面的交(jiao)叠，導緻(zhi)平面相(xiàng)交處的(de)應力集(jí)中㊙️，導緻(zhì)斷裂。
預(yù)防措施(shī)：可采取(qu)用抗腐(fu)蝕的材(cai)料或者(zhe)在彈簧(huáng)表面形(xing)成一個(ge)保護層(ceng)的表面(mian)處理方(fang)法來解(jie)決。
3、微動(dòng)磨損及(jí)碰撞磕(ke)痕、凹坑(keng)
預防措(cuò)施：除消(xiao)除振動(dong)和改進(jìn)結構設(she)計外，采(cǎi)用各種(zhǒng)表🔞面處(chu)理如離(lí)子注入(rù)，化學熱(re)處理以(yi)及噴丸(wan)、滾🔅壓等(deng)表面硬(yìng)化工藝(yi)♍，提高⭐表(biao)面的耐(nài)磨和疲(pi)勞性能(neng)，可以提(ti)高其抵(dǐ)抗微動(dong)磨損的(de)能力。而(er)降低表(biao)面的摩(mó)擦系數(shu)即通過(guo)潤滑方(fang)式包括(kuò)固體、半(ban)🐇固體、及(ji)液體也(ye)可以減(jiǎn)緩微動(dong)損傷的(de)進程。
彈(dàn)簧因為(wei)表面磕(ke)痕、凹坑(keng)等引起(qi)彈簧失(shi)效的情(qíng)況😘很多(duo)，在失📞效(xiao)件中占(zhan)很大比(bi)例。如某(mou)公司離(li)合器從(cong)動盤彈(dàn)簧由于(yú)彈簧表(biao)面存在(zai)的嚴重(zhong)磕傷而(er)導緻☎️它(tā)過早疲(pi)勞斷裂(lie)（如圖🐉9，圖(tú)10）。這種🏃♀️表(biao)面缺陷(xian)可能發(fa)生在彈(dan)簧制造(zào)過程中(zhōng)，也可能(néng)在使用(yong)過程中(zhong)磕碰産(chǎn)生，制造(zào)過程前(qian)面已述(shu)，而在使(shǐ)用過程(chéng)，使用者(zhe)要檢💘查(chá)使用環(huan)境，避免(miǎn)彈簧受(shòu)碰撞🐇等(deng)。
4、工作溫(wēn)度的影(ying)響
因不(bú)同的材(cai)料有不(bú)同的耐(nài)熱性能(néng)，溫度升(sheng)高時，金(jīn)屬會受(shou)熱膨✌️脹(zhang)，尺寸的(de)相應變(bian)化會改(gai)變彈簧(huang)的各種(zhǒng)性能。不(bú)僅如⛱️此(cǐ)，彈簧的(de)🔞彈性模(mo)量E和切(qie)變模量(liang)G下降，因(yīn)此，即使(shi)在載荷(hé)不變的(de)條件下(xià)，彈簧的(de)變形量(liàng)将增大(da)。而且，在(zai)應力、溫(wen)度和時(shi)間的共(gòng)同作用(yòng)下，變形(xing)和松弛(chí)将是彈(dan)簧失效(xiào)的一個(ge)重要模(mo)式。
實例(lì)：采用琴(qin)鋼絲制(zhì)造的壓(yā)縮機閥(fá)簧，如長(zhǎng)時間在(zai)160℃以💃🏻上工(gong)作，由于(yú)應力松(sōng)弛和高(gao)度的減(jiǎn)小，幾乎(hū)所有閥(fa)簧都被(bei)壓縮在(zai)閥座孔(kong)内，喪失(shi)了閥簧(huáng)的工作(zuo)性能而(ér)失效。
低(dī)溫與高(gao)溫條件(jiàn)相反，低(dī)溫會使(shǐ)材料的(de)彈性模(mo)量、硬度(dù)及強度(du)增加，但(dàn)其塑性(xìng)和韌性(xing)下降，特(te)别是當(dāng)溫度㊙️低(dī)于該材(cái)料的冷(lěng)脆轉變(bian)溫度時(shi)，材料的(de)脆性💃🏻将(jiāng)非常嚴(yán)重，例🏒如(rú)，在零🛀🏻下(xià)40℃時，在沖(chong)擊載荷(he)條件下(xià)工作的(de)彈簧往(wang)往會碎(sui)☎️成幾段(duàn)。
