彈(dàn)簧是一般機械(xiè)不可缺少的零(líng)件，它在工作過(guo)程中起到緩沖(chòng)平衡、儲存能量(liang)、自動控制、回位(wèi)定位、安㊙️全保險(xiǎn)等作用。彈簧在(zài)使用過程中常(chang)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(yǐn)起彈簧失效的(de)原因及💜預防措(cuò)施。
導緻彈簧失(shī)效的主要因素(sù)有材料缺陷，加(jia)工制造缺陷，熱(rè)❌處理不當，表面(mian)處理不當，工作(zuò)環境因素等。通(tōng)過對近幾年💛21個(ge)彈簧失效案例(li)的彙總分析，彈(dan)簧表面缺陷，包(bao)括碰撞磕痕、微(wei)動🧑🏾🤝🧑🏼磨損、凹🔅坑等(děng)造成彈簧失效(xiào)的比例最大，占(zhàn)50%；另外還有裂紋(wen)占有20%；夾雜、疏🥵松(song)13%；脫碳、熱處♉理、表(biǎo)面強化🔱分别占(zhan)3%左右。彈簧失效(xiao)可由一種原因(yīn)✊引起，也可由幾(ji)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(xiān)對實例的失效(xiào)現象進行種種(zhong)調查分析，弄清(qing)楚其失效模式(shì)，然㊙️後找出其失(shī)效的原因因素(su)，從而提出改進(jìn)措施。
一、彈簧原(yuán)材料引起的彈(dan)簧失效:
1、由于鋼(gang)的冶煉方法不(bu)同，會使鋼中存(cún)在不同程度造(zào)成彈簧早期疲(pí)勞失效的夾雜(za)物，夾雜物過量(liàng)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(shí)例：某公司一件(jiàn)型号為SY6480（Ф22mm）的車輛(liang)懸架用扭杆彈(dàn)簧🌐，在新車出🥰庫(ku)時便發生斷裂(liè)，分析認為斷裂(lie)起源于彈簧亞(ya)表面存在的一(yi)個粗大脆性夾(jia)雜物（如圖1，圖🤟2(圖(tú)1的放大圖)）。
預防(fang)措施：彈簧材料(liao)必須有優良的(de)冶金質量，如嚴(yán)㊙️格控制🌂化學成(cheng)分、高純淨度，較(jiào)低夾雜物含量(liàng)，同時還要求材(cái)料成💯分和組織(zhi)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(ti)高🔞鋼的純淨度(du)，應采用真空冶(yě)煉及電渣重熔(rong)🍓等精煉技✨術。
2、軋(zhá)制過程可能引(yǐn)起的缺陷：殘餘(yú)縮管及中心裂(liè)紋🏃🏻♂️；折疊缺陷（如(rú)圖3）；線狀缺陷、劃(huà)痕；表面鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔皮狀表(biǎo)面、麻坑；這些都(dōu)可✍️能導緻彈簧(huang)失效。所以鋼廠(chǎng)應盡量避免和(he)消除軋制過程(cheng)中産生的缺陷(xiàn)，彈簧廠應加強(qiang)對彈簧原材料(liao)質量檢查，盡📐量(liang)采用表🔴面質量(liang)好的材料。
冷成(chéng)形螺旋彈簧在(zai)卷簧時由于卷(juàn)簧過程中工藝(yì)裝備不良或調(diào)整操作不當會(hui)産生彈簧的表(biǎo)面缺陷。如♊自動(dòng)卷簧機上✌️切斷(duàn)❄️彈簧時切刀就(jiu)有可能插傷鄰(lin)近彈簧圈鋼絲(si)的🌐内表面。熱成(chéng)形彈簧由于熱(re)成形加熱溫度(du)過高彈簧表面(mian)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(xíng)時，由于加熱溫(wēn)度過低，鋼的塑(sù)性不夠，熱👈成形(xing)過程中彈🚶簧表(biǎo)面應力超🔱過材(cái)料強度極限會(huì)産生裂紋[1]。所以(yǐ)在制🌈造過程中(zhōng)也要加強對彈(dàn)簧表面質量檢(jiǎn)㊙️查，盡量避🏃🏻♂️免表(biao)面缺🌍陷的産生(sheng)。
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(shi)由于卷簧過程(cheng)中工藝裝備不(bu)良或調整操作(zuò)不當會産生彈(dàn)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(néng)插傷鄰近彈簧(huang)圈鋼絲的内表(biǎo)面。熱成形🤩彈簧(huáng)由于熱成形加(jia)熱溫度過高彈(dan)簧表面産生桔(jú)皮狀缺陷，使彈(dan)簧疲勞壽命大(da)幅度降低。或者(zhe)，熱成形時，由于(yu)加熱溫度過低(dī)♊，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(dù)極🔴限會産生裂(lie)紋。所以在制造(zào)過程中也要加(jia)強對彈簧表面(miàn)質量檢查，盡量(liang)避🌏免表面缺陷(xian)的産生。
三、熱處(chù)理工藝缺陷造(zào)成的彈簧失效(xiào):
彈簧在加熱或(huo)冷卻期間表面(mian)和中心溫度分(fen)布不均⭐勻會引(yǐn)起🈲熱應力，相變(biàn)的過程會造成(cheng)組織應力,其總(zǒng)值超過材料的(de)強度極限時會(huì)導緻開裂。這種(zhǒng)缺陷多見于尺(chǐ)寸較大的在水(shuǐ)中淬火的彈簧(huang),其裂紋産生後(hòu)無法修複隻能(neng)報廢。另外原材(cai)料的缺陷，如鋼(gang)中的殘餘縮孔(kǒng)、白點、冷加工刀(dao)痕、冷拉和熱軋(zha)♉過程中的劃痕(hén)🈚、折疊等缺陷，都(dou)會造成淬火時(shi)的應😘力集中而(er)開裂。如圖4所示(shi)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(cuì)火熱處理時，該(gāi)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(dao)臨界尺寸而引(yin)起彈簧的瞬時(shi)破斷。熱處🙇♀️理不(bu)當産生的非正(zheng)常組織🥵如粗大(dà)的淬火馬氏體(ti)；先共析鐵素體(ti)或遊離鐵🍓素體(tǐ)；碳化物偏析；彈(dàn)簧的熱處理變(bian)⛹🏻♀️形；表面氧化與(yu)脫碳都會造成(cheng)彈簧失效。
實例(lì):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(cì)淬火,470～490℃回火。裝車(chē)使用後彈簧連(lian)續幾次發生早(zǎo)期失效。對已失(shī)效的😍彈簧進行(háng)🍉檢查,發現個别(bié)彈簧出現淬火(huǒ)裂紋,經爐氣成(chéng)分分析發現,大(da)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(dan)簧過🍉熱,奧氏體(tǐ)晶粒粗大,水中(zhōng)淬火後出現🙇🏻淬(cui)火裂紋,由于水(shui)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(zeng)大，因馬氏體相(xiàng)變的♈先後不同(tóng),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(zhì)好加熱溫度、保(bao)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(gong)應正常；為了減(jian)少變形,杜絕淬(cui)火開裂，除了尺(chi)寸過大的熱成(cheng)形彈簧♈外,一般(ban)熱成形彈簧采(cǎi)用在油中冷卻(que)。
四、表面處理工(gōng)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(wán)強化有很大的(de)影響，如果制造(zào)者不把噴丸工(gōng)❗藝當作一個重(zhòng)要的強化工藝(yì)，充分注意噴丸(wan)工藝的控制，也(yě)不進行工藝效(xiào)果的必要檢測(cè)，那麼噴丸處理(lǐ)有可能得不到(dào)它應有的強化(hua)效果🈲，甚至可能(néng)成為彈簧發生(shēng)⚽早期失效的誘(you)因。
實例：某廠進(jìn)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(zhi)表面産生裂紋(wén)而最終斷裂💯。所(suǒ)以針對不同的(de)材料，經不同的(de)工藝處理後，要(yào)選擇的合适的(de)噴丸工藝。
2、電鍍(dù)時彈簧表面及(ji)鍍層中富含的(de)氫氣，如不能得(dé)到及時和充分(fen)的清除，可導緻(zhi)彈簧在工作時(shí)的氫緻滞後斷(duan)裂而失效。有時(shí)🔞在氧化處理或(huo)磷化處理前，為(wéi)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(dù)造成氫大量滲(shèn)入零件内部，而(ér)又未能及時和(hé)充☀️分的除氫處(chù)理時，可導緻彈(dan)簧的氫脆斷裂(liè)失效。
實例：直徑(jìng)0.6mm的70"冷拔碳素彈(dàn)簧鋼絲鍍镉後(hòu)，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(dian)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(yǐ)及在鍍前接觸(chù)💞了含氫介🥵質，緻(zhi)使大⭕量的氫殘(cán)📱留并呈彌散分(fèn)布形态，進而形(xíng)成沿晶裂紋，在(zài)外力♍作用下，導(dao)緻✔️彈簧沿晶脆(cuì)性斷裂。
五、工作(zuo)條件對彈簧失(shi)效的影響:
1、負載(zǎi)狀況對彈簧失(shī)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(zhī)柱塞⭕彈簧。這🙇♀️種(zhong)彈簧常在第二(er)、三圈處折斷，因(yin)為第二、三圈首(shǒu)⭐先受到沖擊載(zǎi)荷且不能足夠(gòu)快地傳給其它(ta)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(dao)動力效應，盡可(ke)能避免一端的(de)交變運動🤟與彈(dàn)簧的自然頻率(lǜ)之一發生共振(zhen)。但有時共振現(xian)象無法避免，應(yīng)力幅度會增加(jiā)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(yi)㊙️改變沖擊時的(de)自然頻率；對彈(dàn)簧中部增用摩(mo)擦強迫阻尼。
嚴(yan)格說來，彈簧工(gōng)作時，載荷不可(kě)能作用在幾何(hé)中🏃♀️心線上，會形(xing)成偏心載荷，總(zong)偏一個距離e，這(zhe)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(jiǎn)小，導緻彈簧✉️過(guo)早失效。另外⭕彈(dàn)簧運行之初承(chéng)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(pi)勞極限而導緻(zhi)早期疲勞斷裂(lie)。
2、環境因素對彈(dan)簧失效的影響(xiǎng)
在腐蝕環境中(zhong)承受交變載荷(hé)将發生腐蝕疲(pí)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(huáng)鋼試樣在淡水(shuǐ)腐蝕下的持久(jiǔ)極限僅💚是大氣(qì)中的10%～25%。
實例：對某(mou)電廠汽輪機主(zhu)汽門操縱座彈(dàn)簧的斷裂失效(xiao)進行了分析。結(jié)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(qi)早期疲勞斷裂(lie)的主要原因是(shì)彈簧🌂表面的腐(fu)蝕坑（如圖5，圖6）；腐(fu)蝕坑是在彈簧(huáng)使用前的放置(zhì)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(líng)件中，如螺旋壓(yā)縮彈簧的兩個(ge)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(dōu)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(liè)，經☎️分析彈簧多(duo)處受到外力碰(pèng)撞摩擦，造成⁉️彈(dàn)簧過渡圈的接(jie)觸帶位置發🐉生(sheng)偏移，使得微振(zhèn)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(jiāo)叠，導緻平面相(xiàng)交💜處的應力集(ji)中，導緻斷🏃🏻裂。
預(yù)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(mian)處理方法來解(jie)決。
3、微動磨損及(jí)碰撞磕痕、凹坑(keng)
預防措施：除消(xiao)除振動和改進(jìn)結構設計外，采(cai)用各種表面㊙️處(chù)☎️理如離子注入(ru)，化學熱處理以(yi)及噴丸、滾壓等(deng)表面硬化工藝(yi)，提高🐉表面的耐(nai)磨和疲勞性能(neng)，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(ban)固體、及液體也(ye)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(qi)彈簧失效的情(qing)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(dan)簧由于彈簧表(biǎo)面存在的嚴重(zhòng)磕傷而導緻它(ta)過早疲勞斷裂(lie)（如圖9，圖10）。這種表(biǎo)面缺陷可能發(fā)生在彈簧制🤞造(zào)過程中，也可能(néng)在使用過程中(zhong)磕碰産🐅生，制造(zào)過程前面已述(shu)，而在使用過程(cheng)，使用者要檢💯查(cha)使用環境，避免(miǎn)彈簧受碰撞等(deng)。
4、工作溫度的影(ying)響
因不同的材(cai)料有不同的耐(nài)熱性能，溫度升(sheng)高時，金屬會受(shou)熱膨脹，尺寸的(de)相應變化會改(gai)變彈簧的各🈲種(zhǒng)性能。不😄僅如此(cǐ)，彈簧的彈性模(mo)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(da)。而且，在應力、溫(wen)度和時間的共(gòng)同作用下，變形(xing)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(zai)160℃以上工作，由于(yu)應力松弛和高(gāo)度的減小，幾乎(hu)所有‼️閥簧都被(bèi)💚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(dī)溫會使材料的(de)彈性模量、硬度(dù)及強度🧑🏽🤝🧑🏻增加，但(dan)其塑性和韌性(xing)下降，特别是當(dang)溫度低于該材(cai)❤️料的✌️冷脆轉變(biàn)溫度時，材料的(de)脆性将非常☁️嚴(yán)重，例如，在零下(xia)40℃時，在沖擊載荷(hé)條件下工作的(de)彈簧💋往往會碎(sui)成幾段。
