彈(dan)簧是一般機(jī)械不可缺少(shǎo)的零件，它在(zai)工作過程中(zhōng)起到🐪緩沖平(ping)衡、儲存能量(liàng)、自動控制、回(hui)位定位、安全(quan)保險等作用(yong)。彈簧在使用(yong)過程中常因(yīn)各種原因👈導(dǎo)緻失效而引(yǐn)起機械故障(zhàng)。為此，有必要(yao)讨論引起彈(dan)簧失效👅的原(yuán)因及預防措(cuò)施。
導緻彈簧(huáng)失效的主要(yào)因素有材料(liào)缺陷，加工制(zhì)造👈缺陷💋，熱處(chù)理🏒不當，表面(mian)處理不當，工(gōng)作環境因素(sù)等。通過對近(jìn)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(kē)痕、微動磨損(sun)、凹坑等造成(chéng)彈簧失效的(de)比例最大，占(zhàn)50%；另外還有裂(liè)紋占有20%；夾雜(zá)、疏松13%；脫碳、熱(re)處理、表面強(qiang)化分别占3%左(zuǒ)右。彈簧失效(xiao)可由一種原(yuan)因引起，也可(ke)由幾種原因(yīn)因素綜合作(zuò)用🛀所緻。因此(cǐ)，對彈簧的失(shi)效💯分析必須(xū)🥵先對實例的(de)失效現象進(jin)行種種調查(chá)分析，弄清楚(chǔ)其💰失效模式(shì)，然👅後找出其(qi)失效的原因(yīn)🌈因素，從👌而提(tí)出改進措施(shi)。
一、彈簧原材(cái)料引起的彈(dan)簧失效:
1、由于(yú)鋼的冶煉方(fang)法不同，會使(shi)鋼中存在不(bú)同程度🧑🏽🤝🧑🏻造成(chéng)☔彈簧💛早期疲(pi)勞失效的夾(jiá)雜物，夾雜物(wu)過量或尺寸(cun)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(hào)為SY6480（Ф22mm）的車輛懸(xuán)架用扭杆彈(dàn)簧，在新🍓車🔞出(chū)庫⭕時便發生(sheng)斷裂，分析認(rèn)為斷裂起源(yuán)于🏒彈簧😘亞表(biao)面存💛在的一(yi)個粗大脆性(xìng)夾雜物（如圖(tú)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(huà)學成分、高純(chun)淨度，較低夾(jia)雜物含量，同(tong)時還要☁️求材(cai)料成分和組(zu)織的均勻性(xìng)和穩定性。為(wéi)了降低鋼中(zhong)有害氣體和(he)雜質元素，提(tí)高♌鋼的純淨(jìng)度，應采用真(zhen)空冶煉及電(dian)渣重熔🔞等精(jīng)煉技術。
2、軋制(zhi)過程可能引(yǐn)起的缺陷：殘(can)餘縮管及中(zhong)心裂紋；折疊(dié)🌏缺🙇🏻陷💚（如📐圖3）；線(xian)狀缺陷、劃痕(hén)；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(xiào)。所以鋼廠應(yīng)盡量避免和(he)消除軋制過(guò)程中産生的(de)缺陷，彈簧廠(chǎng)應加強對彈(dan)簧原材料質(zhi)量檢查，盡量(liàng)采用表面質(zhì)量好的材料(liào)。
冷成形螺旋(xuan)彈簧在卷簧(huang)時由于卷簧(huáng)過程中工藝(yì)裝⭕備不良或(huò)🧡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(duàn)🏃🏻♂️彈簧時切刀(dao)就有可能插(chā)傷鄰近✍️彈簧(huáng)圈鋼絲的内(nèi)表面💋。熱成形(xing)彈簧由于熱(rè)成形加熱溫(wēn)度過高彈簧(huáng)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(chéng)✂️形時，由于加(jia)熱溫度過低(dī)，鋼的塑性不(bú)夠，熱成形過(guò)程中彈簧表(biao)面應力超🆚過(guo)材料強度極(ji)限會産生裂(lie)紋[1]。所以在制(zhi)造過程中也(yě)要加強對彈(dan)簧表面質量(liang)檢查，盡量避(bi)免表面缺陷(xiàn)的産生。
二、制(zhì)造過程中引(yin)起的彈簧失(shī)效:
冷成形螺(luo)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(miàn)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(dàn)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(shēng)桔皮狀缺陷(xian)，使彈簧疲勞(lao)壽命大幅度(du)降低。或者，熱(re)成形時，由于(yu)加☁️熱溫度過(guò)低⭐，鋼的塑性(xìng)不夠，熱👣成形(xíng)過程中彈簧(huang)表面應力超(chāo)過材料強度(du)極限會産生(sheng)裂紋。所以在(zai)制造過程中(zhong)也要加強對(duì)彈簧表面質(zhi)量檢查，盡量(liàng)避㊙️免表面缺(que)陷的産生。
三(sān)、熱處理工藝(yi)缺陷造成的(de)彈簧失效:
彈(dàn)簧在加熱或(huò)冷卻期間表(biǎo)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(qí)總值超過材(cai)☎️料的🍓強度🥵極(jí)限時會導緻(zhi)開裂。這種缺(que)陷多見于尺(chi)寸較大😍的在(zai)水💔中淬火💋的(de)彈簧,其裂紋(wen)産生後無法(fa)修複隻能報(bao)廢🧑🏽🤝🧑🏻。另外原材(cai)料的缺陷，如(rú)鋼中的殘🐕餘(yu)縮孔、白點、冷(lěng)加工刀痕、冷(leng)拉和熱軋💋過(guò)程中的劃🔞痕(hén)、折疊等缺陷(xiàn)，都🔞會造成淬(cui)火時的應力(lì)集中而⭐開裂(lie)。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(liè)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(pí)勞試驗時，它(ta)首先🐉擴展⛹🏻♀️，直(zhi)至達到臨界(jiè)尺寸而引起(qǐ)彈簧的瞬時(shi)破斷。熱處理(lǐ)不當産生的(de)非正常組♻️織(zhi)如粗大的淬(cuì)火馬氏體；先(xian)共析鐵素體(ti)或遊離鐵素(su)體；碳化物偏(piān)析；彈簧的熱(re)處理變形；表(biǎo)面氧化與脫(tuō)碳都會造成(cheng)彈簧失效。
實(shí)例:某廠60Si2MnA熱成(cheng)型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫(wēn)度900～950℃卷制成型(xing),卷後一次淬(cui)火,470～490℃回火。裝車(che)使用後彈簧(huáng)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(bié)彈簧出現❤️淬(cui)火裂紋,經爐(lú)氣成分分析(xi)發現,大約有(yǒu)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(rè),奧氏體晶粒(lì)粗大,水中淬(cuì)火後出現淬(cuì)火裂紋,由于(yu)水的冷卻能(néng)力很強,在奧(ào)氏體向馬氏(shì)體轉變溫度(dù)區，彈簧表面(mian)與心部溫差(chà)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(chū)現裂紋。
預防(fáng)措施：除嚴格(gé)控制好加熱(rè)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(mei)氣成分,保證(zheng)熱量供應正(zhèng)常；為了減少(shǎo)變形,杜絕淬(cui)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(yòng)在油中冷卻(què)。
四、表面處理(li)工藝不當造(zao)成的彈簧失(shī)效:
1、表面噴丸(wán)強化工藝，噴(pēn)丸強化設備(bèi)、工藝方法及(jí)操作水平📐對(dui)噴☔丸強化有(you)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(huà)工藝，充分注(zhù)意🐉噴丸工藝(yi)的控👣制，也不(bú)進行工藝效(xiao)果的必要檢(jian)測✂️，那麼噴丸(wán)🈲處理有可能(néng)得不到它應(yīng)有的強化效(xiao)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(mian)産生裂紋而(ér)最終🌍斷裂。所(suǒ)以♍針對不同(tóng)的材料，經不(bu)同的工♌藝處(chu)理後，要選擇(zé)的合适的噴(pen)丸工藝。
2、電鍍(du)時彈簧表面(mian)及鍍層中富(fu)含的氫氣，如(rú)不能得🏃到及(jí)時🈲和充⛱️分的(de)清除，可導緻(zhì)彈簧在工作(zuò)時的氫緻滞(zhì)後斷裂而失(shī)效。有時☀️在氧(yǎng)化處理或磷(lin)化處理前，為(wéi)了去除彈簧(huáng)表面的氧化(huà)皮和鏽迹，需(xū)進行酸洗。當(dang)酸洗過度造(zào)成氫大量滲(shen)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(huáng)的氫脆斷裂(liè)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(dàn)簧，在裝配時(shí)發生斷裂。采(cai)用能譜分析(xī)(EDS)、金相分析和(he)掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進行了(le)宏觀和微觀(guān)檢測及分析(xi)。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(zhì)，緻使大量的(de)氫殘留并呈(cheng)彌散分布形(xíng)态，進而形成(chéng)沿晶🐪裂紋，在(zài)外力作用下(xia)，導緻♈彈簧沿(yán)晶脆性斷裂(liè)。
五、工作條件(jian)對彈簧失效(xiao)的影響:
1、負載(zǎi)狀況對彈簧(huang)失效的影響(xiang)
通用機械中(zhōng)受沖擊作用(yòng)的彈簧很多(duō)，如噴油泵之(zhī)柱塞彈簧。這(zhè)👌種彈簧常在(zài)第二、三圈處(chu)折斷，因為第(dì)二、三圈首先(xiān)受到沖🔴擊載(zǎi)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(duō)。
設計者應考(kao)慮到動力效(xiao)應，盡可能避(bì)免一端的交(jiāo)變⛹🏻♀️運動💛與彈(dàn)簧的自然頻(pin)率之一發生(shēng)共振。但有時(shí)共振現象無(wú)法避免，應力(li)👅幅度會增加(jiā)5%以上，則要采(cǎi)取相應措施(shi)，例如采用💔較(jiao)高的自然頻(pín)㊙️率，使其不與(yǔ)低次諧波共(gòng)振。設計合理(li)的凸輪外形(xing),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(shí)🔴的自然頻率(lü)；對彈簧中部(bu)增用摩擦強(qiáng)迫阻尼。
嚴格(gé)說來，彈簧工(gong)作時，載荷不(bú)可能作用在(zài)幾何中心線(xian)上，會形成偏(pian)心載荷，總偏(pian)一個距離e，這(zhè)種負載偏心(xīn)要産🔞生附加(jia)的應力，而使(shǐ)彈簧安全應(ying)力顯著🌈減小(xiao)，導緻彈簧過(guò)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(zǎi)損傷的累積(jī)将降低🏃♀️彈簧(huáng)疲勞極限而(er)導緻早期疲(pí)勞斷裂。
2、環境(jìng)因素對彈簧(huang)失效的影響(xiang)
在腐蝕環境(jing)中承受交變(biàn)載荷将發生(sheng)腐蝕疲勞，由(yóu)于腐蝕環境(jìng)能加速疲勞(láo)的萌生和擴(kuo)展，因而會顯(xiǎn)著降低彈簧(huáng)的疲勞🔴壽命(ming)🈲。例如彈簧鋼(gang)試樣在淡水(shuǐ)腐蝕下💋的持(chí)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(dàn)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(zu)織都符合國(guó)家标準，導緻(zhi)其早期疲勞(lao)斷裂的主要(yào)原因是彈簧(huáng)表面的腐蝕(shí)坑❤️（如圖5，圖💛6）；腐(fǔ)蝕坑是在🍉彈(dan)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(yi)避免腐蝕坑(kēng)的産生。
在彈(dàn)簧類零件中(zhong)，如螺旋壓縮(suo)彈簧的兩個(ge)端圈，拉伸彈(dan)⚽簧的彎鈎，扭(niǔ)杆的固定端(duān)，闆簧的片與(yu)片之間都可(ke)能産生微動(dong)磨損（如圖7，圖(tú)8）。某公司的離(li)合器減👉振彈(dan)簧在疲勞試(shì)驗中斷裂，經(jing)🈲分析彈🙇🏻簧多(duō)處受到外力(li)碰撞摩擦，造(zào)成🤟彈簧過渡(dù)🎯圈的接觸🈚帶(dai)位置發生偏(piān)移，使得🔞微振(zhèn)磨損不✍️隻發(fā)生在一個平(ping)面上，造成不(bu)同微振磨損(sun)平面的交叠(die)🌏，導緻平面相(xiàng)交處的應力(lì)集中，導緻斷(duàn)裂。
預防措施(shī)：可采取用抗(kang)腐蝕的材料(liào)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(pèng)撞磕痕、凹坑(keng)
預防措施：除(chu)消除振動和(hé)改進結構設(shè)計外，采用各(gè)種表面處理(li)🎯如離子注入(ru)，化學熱處理(li)以及噴丸、滾(gǔn)壓等表面硬(ying)化工藝，提高(gāo)表面的耐磨(mó)和疲勞性能(néng)，可以提高其(qí)抵抗微動磨(mo)損的能力。而(er)降低表面的(de)☂️摩擦系數即(jí)通過潤滑方(fāng)式包👄括固體(ti)、半👄固體、及液(yè)🔞體也可以減(jian)緩微動損傷(shāng)的進程。
彈簧(huang)因為表面磕(ke)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(lì)。如某公司離(li)合器從動盤(pan)🧑🏽🤝🧑🏻彈簧🏃🏻♂️由于彈(dan)簧👅表面存在(zai)的嚴重磕傷(shang)而導緻它過(guò)早疲勞斷裂(lie)（如圖9，圖10）。這種(zhǒng)表面缺陷可(ke)能發生在彈(dan)簧制造過程(chéng)中，也可能在(zài)💋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(yong)者要檢查使(shǐ)用環境🔴，避👄免(mian)彈簧受碰撞(zhuàng)等。
4、工作溫度(dù)的影響
因不(bu)同的材料有(you)不同的耐熱(re)性能，溫度升(sheng)高時，金🆚屬會(huì)🔴受熱膨📧脹，尺(chǐ)寸的相應變(biàn)化會改變彈(dàn)簧的各種性(xing)能。不僅如此(cǐ)，彈簧的彈性(xìng)模量E和切變(biàn)模量G下降，因(yīn)此，即使在載(zǎi)荷不變的條(tiao)件下，彈簧的(de)變形量将增(zeng)大。而且，在應(yīng)力、溫度和時(shi)間的共同作(zuò)用下，變📱形和(he)松弛将是彈(dan)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(zài)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(tiáo)件相反，低溫(wen)會使材料的(de)彈性模量、硬(yìng)🔱度及強度增(zēng)加，但其塑性(xing)和韌性下降(jiang)，特别是當溫(wēn)度低于該材(cai)❌料的☔冷脆轉(zhuan)變溫度時，材(cái)料的脆性将(jiang)非常嚴重，例(lì)如，在零下40℃時(shi)，在沖擊載荷(he)條件下工作(zuò)的彈簧往往(wǎng)會碎成幾段(duàn)。
