彈(dàn)簧是一般(ban)機械不可(ke)缺少的零(líng)件，它在工(gong)作過程中(zhōng)起到緩沖(chong)平衡、儲存(cún)能量、自動(dòng)控制、回位(wei)定位、安🔴全(quán)保🍉險等作(zuò)用。彈簧在(zai)使用過程(chéng)中常因各(gè)種原因🏃♀️導(dao)緻失效而(ér)引⭐起機械(xiè)故障。為此(cǐ)，有必要讨(tao)論引起🤩彈(dan)簧失效的(de)原因及🙇♀️預(yu)防措施。
導(dao)緻彈簧失(shī)效的主要(yao)因素有材(cai)料缺陷，加(jia)工制造缺(que)陷，熱🚶♀️處理(li)🧑🏾🤝🧑🏼不當，表面(miàn)處理不當(dāng)，工作環境(jing)因素等。通(tong)過對近幾(jǐ)年21個彈簧(huáng)失♍效案例(lì)的彙總分(fen)析，彈簧表(biǎo)面缺陷，包(bāo)括🐅碰撞磕(ke)痕、微動磨(mó)損、凹坑等(deng)造成彈簧(huáng)失效的🧑🏽🤝🧑🏻比(bǐ)例最大，占(zhan)50%；另外還🐅有(you)裂紋占有(you)20%；夾雜、疏☔松(song)13%；脫碳、熱處(chù)理、表面強(qiang)化分别占(zhan)3%左右。彈簧(huáng)失效可由(yóu)一種原因(yīn)引起，也可(kě)由幾種原(yuán)因因素綜(zong)合作用🧑🏾🤝🧑🏼所(suǒ)緻。因此，對(dui)彈簧的失(shī)效分析必(bì)須先對實(shí)例的失效(xiào)現象進行(hang)種種調查(chá)分析，弄清(qīng)楚其失效(xiào)模式，然後(hou)找出其失(shi)效的原因(yīn)因素，從而(er)提出改進(jin)措❤️施。
一、彈(dàn)簧原材料(liao)引起的彈(dàn)簧失效:
1、由(you)于鋼的冶(ye)煉方法不(bú)同，會使鋼(gāng)中存在不(bú)同程度🌈造(zào)成彈簧早(zao)期疲勞失(shī)效的夾雜(zá)物，夾雜物(wù)過量或尺(chǐ)寸過大，均(jun)勻度不好(hǎo)都會影響(xiǎng)材料的力(li)學性能，容(róng)易早期疲(pi)勞失效。
實(shi)例：某公司(sī)一件型号(hào)為SY6480（Ф22mm）的車輛(liàng)懸架用扭(niǔ)杆彈簧，在(zai)⁉️新車✉️出庫(kù)時便發生(sheng)斷裂，分析(xī)認為斷裂(liè)起源于彈(dàn)簧亞表面(miàn)存💘在的一(yi)個粗大脆(cuì)性夾雜物(wù)（如圖1，圖2(圖(tú)1的放大圖(tú))）。
預防措施(shi)：彈簧材料(liào)必須有優(yōu)良的冶金(jin)質量，如嚴(yan)格控制化(hua)學🛀成分、高(gāo)純淨度，較(jiào)低夾雜物(wù)含量，同時(shí)還要👌求材(cái)料成🥰分和(he)組織的均(jun)勻性和穩(wěn)定性。為了(le)降低鋼中(zhong)有害氣體(ti)和雜質元(yuán)素，提高鋼(gāng)的純淨度(dù)，應采用真(zhēn)空冶煉及(ji)電渣重熔(rong)等精煉技(jì)術。
2、軋制過(guo)程可能引(yin)起的缺陷(xian)：殘餘縮管(guǎn)及中心裂(liè)紋💚；折疊缺(que)♈陷（如圖3）；線(xiàn)狀缺陷、劃(hua)痕；表面鏽(xiu)蝕坑；過燒(shāo)、桔🆚皮狀表(biao)面、麻坑；這(zhè)些✊都可能(néng)導緻彈簧(huáng)失效。所以(yi)鋼廠應盡(jìn)量避免🤟和(he)消除軋制(zhi)過程中産(chan)生的缺陷(xian)，彈簧廠應(ying)加強對彈(dàn)簧原材料(liao)質量檢查(chá)，盡量采用(yong)表面質量(liang)好的🤟材料(liào)。
冷成形螺(luó)旋彈簧在(zài)卷簧時由(yóu)于卷簧過(guo)程中工藝(yì)🛀🏻裝備不🧡良(liáng)或🈲調整操(cao)作不當會(hui)産生彈簧(huáng)的表面缺(que)🔅陷。如自動(dong)💰卷簧機上(shàng)切斷彈簧(huáng)時切刀就(jiù)有可能插(chā)傷鄰近⚽彈(dan)簧圈🈲鋼絲(si)的内表面(miàn)。熱成形彈(dàn)簧由于熱(rè)成形加熱(rè)溫度過高(gao)彈簧表面(miàn)😘産生桔皮(pí)㊙️狀缺陷，使(shi)😄彈簧疲勞(lao)壽命大幅(fú)度降低。或(huò)者，熱成形(xing)時，由于加(jia)熱溫度過(guo)低，鋼的塑(su)性不夠，熱(rè)成形過程(chéng)中彈簧表(biao)面應力超(chāo)過材料強(qiang)度極限會(huì)産生裂紋(wen)[1]。所以在制(zhì)造過程中(zhong)也要加強(qiang)對彈簧表(biǎo)面質量檢(jiǎn)🥰查，盡量避(bì)免表面缺(quē)陷的産生(shēng)。
二、制造過(guo)程中引起(qi)的彈簧失(shi)效:
冷成形(xing)螺旋彈簧(huáng)在卷簧時(shi)由于卷簧(huáng)過程中工(gōng)藝裝備不(bu)良或調整(zheng)操作不當(dang)會産生彈(dàn)簧的表面(mian)缺陷。如❌自(zi)動卷簧機(jī)上切斷彈(dàn)簧時切刀(dao)就有可能(neng)插傷鄰近(jìn)彈簧圈鋼(gāng)絲的内表(biǎo)面。熱成形(xing)彈簧由于(yu)熱成形加(jia)熱💞溫度過(guò)高彈簧表(biao)面産生桔(jú)皮狀缺陷(xiàn)，使🔅彈簧疲(pí)勞壽⚽命大(da)幅度降低(di)。或者，熱成(cheng)形時，由于(yu)加熱溫度(du)過低，鋼的(de)塑性不夠(gou)，熱成形過(guò)程中彈簧(huang)表面應力(lì)超過材料(liào)強度極🛀🏻限(xiàn)會産生🔞裂(lie)紋。所以在(zài)制造過程(chéng)中也要加(jia)強💚對彈簧(huang)表面質量(liàng)檢查，盡量(liang)避✨免表面(miàn)缺陷的産(chǎn)生。
三、熱處(chù)理工藝缺(que)陷造成的(de)彈簧失效(xiao):
彈簧在加(jiā)熱或冷卻(que)期間表面(miàn)和中心溫(wen)度分布不(bu)均勻會🆚引(yin)起熱應力(lì)，相變的過(guò)程會造成(chéng)組織應力(li)🏃🏻♂️,其總值超(chao)過材料的(de)強度極限(xian)時會導緻(zhì)開裂。這種(zhong)✔️缺陷多見(jian)于尺寸較(jiào)大㊙️的在水(shuǐ)中淬火⭐的(de)彈簧,其裂(liè)紋産生後(hòu)無法修複(fu)隻能報廢(fei)。另外原材(cái)料的缺陷(xian)，如鋼中的(de)殘餘縮孔(kong)、白點、冷加(jia)工刀痕、冷(leng)拉和熱軋(zha)過程中的(de)劃痕、折疊(dié)等缺陷，都(dōu)會造成淬(cui)火時的應(yīng)力集中而(er)開裂。如圖(tú)4所示即為(wéi)某公司彈(dàn)簧由于最(zui)初的表面(miàn)上的短淺(qian)折疊裂紋(wen)，在淬火熱(rè)處理時，該(gai)裂紋沿徑(jing)向擴展至(zhi)3.9mm，在做疲勞(lao)試驗時，它(tā)首先擴展(zhǎn)💯，直至達到(dào)臨界尺寸(cun)而引起彈(dàn)簧的瞬時(shi)破斷。熱處(chu)理不當産(chan)生的非正(zheng)常組織如(ru)粗大的淬(cui)火馬氏體(tǐ)💘；先共析鐵(tiě)素體或遊(yóu)離鐵素體(ti)♊；碳🚩化物偏(pian)析；彈簧的(de)熱處理變(biàn)形；表面氧(yǎng)化與脫碳(tan)都🈚會造成(cheng)彈簧失效(xiao)。
實例:某廠(chǎng)60Si2MnA熱成型彈(dàn)簧,d=25，D=120，n=5，在溫度(du)900～950℃卷制成型(xing),卷後一次(ci)淬火🌐,470～490℃回火(huo)。裝車使用(yòng)後彈簧連(lián)續幾次發(fā)生早期失(shi)效。對已失(shī)效的❌彈簧(huáng)進行♈檢查(chá),發現個别(bie)彈簧出現(xian)淬火裂紋(wén),經爐氣成(chéng)分分析發(fa)現,大約有(you)一個月煤(mei)氣成分不(bú)當,發熱量(liang)偏高,使爐(lú)溫過高,個(ge)别彈簧過(guò)㊙️熱,奧氏體(ti)晶粒粗大(da),水中👌淬火(huǒ)後出現淬(cui)火裂紋,由(you)于水的冷(lěng)卻能力很(hen)強,在奧氏(shi)體向馬氏(shì)體轉變溫(wēn)🔴度區，彈簧(huang)表面與心(xin)部溫差增(zēng)大，因🔅馬氏(shi)體相變的(de)先❗後不同(tóng),引起很大(dà)的組織應(yīng)力,因而出(chū)現裂紋。
預(yù)防措施：除(chu)嚴格控制(zhì)好加熱溫(wen)度、保溫時(shi)間外，控制(zhì)爐☂️内🏃🏻♂️氣氛(fēn)是很重要(yao)的，定期分(fen)析加熱煤(méi)氣成分,保(bǎo)證熱量供(gòng)應正常；為(wei)了減少變(bian)形,杜絕淬(cui)火開裂，除(chú)了尺寸過(guo)大的熱成(cheng)🌏形彈簧🛀外(wai),一般🌂熱成(cheng)形彈簧采(cai)用在油中(zhong)冷卻。
四、表(biǎo)面處理工(gong)藝不當造(zào)成的彈簧(huang)失效:
1、表面(miàn)噴丸強化(huà)工藝，噴丸(wán)強化設備(bèi)、工藝方法(fǎ)及操作水(shuǐ)平對🙇♀️噴丸(wan)強化有很(hen)大的影響(xiǎng)，如果制造(zao)者不把噴(pēn)丸工藝當(dang)作一個重(zhòng)🏃要的強化(huà)工藝，充分(fen)注意噴丸(wan)工藝的控(kong)⁉️制，也不🎯進(jìn)行工藝效(xiao)果的必要(yào)檢測，那麼(me)噴丸處理(lǐ)有可能得(de)不到😘它應(yīng)有的♈強化(huà)效果，甚至(zhì)可能成為(wéi)彈簧發生(shēng)早期失效(xiào)的誘因。
實(shi)例：某廠進(jìn)口的彈簧(huáng)原材料，是(shi)經滲氮表(biǎo)面處理的(de)，表面硬☁️度(du)較高，經噴(pen)丸處理後(hou)，導緻表面(mian)産生裂紋(wén)而最終斷(duan)裂。所以針(zhen)對不同的(de)材料，經不(bú)同的工💃藝(yi)處理㊙️後，要(yào)選擇的合(hé)🈲适的噴♍丸(wan)工藝。
2、電鍍(dù)時彈簧表(biǎo)面及鍍層(ceng)中富含的(de)氫氣，如不(bu)能得到及(jí)時🐪和充分(fen)的清除，可(kě)導緻彈簧(huáng)在工作時(shi)的氫♊緻滞(zhì)後斷裂而(er)失效。有時(shi)在氧化處(chù)理或磷化(hua)處理前，為(wei)了去除彈(dàn)簧表面的(de)氧化♉皮和(he)鏽迹，需進(jin)行酸洗。當(dāng)酸洗過度(du)造成氫大(dà)量滲入零(ling)件内部，而(ér)又未🔞能及(jí)時和充分(fèn)的除氫處(chù)理時，可導(dao)緻彈簧的(de)氫脆斷裂(liè)失效。
實例(lì)：直徑0.6mm的70"冷(leng)拔碳素彈(dàn)簧鋼絲鍍(dù)镉後，制成(cheng)中徑♋4.0mm扭轉(zhuan)彈簧，在裝(zhuāng)配時發生(sheng)斷裂。采用(yong)能譜分析(xī)(EDS)、金相分析(xī)和掃描電(diàn)🏃🏻鏡(SEM)對👈斷口(kǒu)進行了宏(hóng)觀和微觀(guān)檢測及分(fen)析。結果表(biǎo)🈲明：彈簧在(zai)繞制🎯過程(cheng)中的殘餘(yu)拉應力以(yǐ)及在鍍前(qián)接觸了含(hán)氫介質，緻(zhì)使大量的(de)氫殘㊙️留并(bìng)呈彌散分(fen)布形态，進(jin)而形成沿(yan)晶裂紋，在(zai)外力作用(yong)下，導緻彈(dàn)簧沿晶脆(cuì)性斷裂。
五(wu)、工作條件(jian)對彈簧失(shi)效的影響(xiǎng):
1、負載狀況(kuàng)對彈簧失(shi)效的影響(xiang)
通用機械(xiè)中受沖擊(jī)作用的彈(dan)簧很多，如(rú)噴油泵之(zhi)柱塞彈👣簧(huáng)。這種彈簧(huang)常在第二(èr)、三圈處折(she)斷，因為第(di)二、三㊙️圈首(shǒu)先受到沖(chòng)💋擊載荷且(qiě)不能足夠(gou)快地傳給(gei)其它各圈(quān)，頭幾圈承(cheng)受了大部(bu)分沖擊，且(qiě)比其各圈(quan)⚽變形大得(dé)多。
設計者(zhe)應考慮到(dao)動力效應(yīng)，盡可能避(bì)免一端的(de)交變㊙️運動(dòng)與彈⛷️簧的(de)自然頻率(lǜ)之一發生(shēng)共振。但有(yǒu)時共振現(xiàn)象無法避(bi)免，應力幅(fu)度會增加(jiā)5%以上，則要(yào)采取相應(yīng)🌈措施，例如(ru)采用較高(gāo)的💁自然頻(pín)率，使其不(bú)與低次諧(xie)波共振。設(shè)計合理的(de)凸輪外形(xíng),以降低工(gong)作階段的(de)節距。減少(shao)彈簧端🙇🏻部(bu)的節距,以(yi)改變沖擊(jī)時的自然(rán)頻率；對彈(dàn)簧中部增(zeng)用摩擦強(qiang)迫阻尼。
嚴(yan)格說來，彈(dan)簧工作時(shi)，載荷不可(kě)能作用在(zai)幾何中心(xīn)線上，會❓形(xing)成偏心載(zǎi)荷，總偏一(yi)個距離e，這(zhè)種負載偏(pian)心要産⛱️生(sheng)附📐加的應(ying)力，而使彈(dan)簧安全應(ying)力顯著減(jiǎn)小，導‼️緻彈(dàn)簧過早失(shī)效。另外彈(dan)簧運行之(zhi)初承受🚶♀️過(guo)載荷也🔅非(fēi)常危險，初(chū)期過載損(sǔn)傷的累積(ji)将降低彈(dan)簧疲勞極(ji)限而導緻(zhi)早期疲勞(láo)斷裂。
2、環境(jìng)因素對彈(dàn)簧失效的(de)影響
在腐(fǔ)蝕環境中(zhong)承受交變(biàn)載荷将發(fa)生腐蝕疲(pí)勞，由于腐(fǔ)蝕環境✍️能(neng)加速疲勞(láo)的萌生和(hé)擴展，因而(er)會顯著降(jiang)⛹🏻♀️低彈簧的(de)疲勞壽命(mìng)。例如彈簧(huáng)鋼試樣在(zai)淡水腐蝕(shi)下的持久(jiǔ)極限僅是(shi)大氣中的(de)10%～25%。
實例：對某(mou)電廠汽輪(lún)機主汽門(men)操縱座彈(dan)簧的斷裂(lie)失效進行(hang)了分析。結(jie)果表明：彈(dan)簧材料化(hua)學成分及(jí)組織🛀🏻都符(fu)合國⭐家标(biao)準，導緻其(qi)早期疲勞(lao)斷裂的主(zhǔ)要原因是(shi)彈簧表面(miàn)的腐蝕坑(keng)（如圖5，圖6）；腐(fǔ)蝕坑是在(zài)彈簧使用(yong)前的放置(zhì)過程中形(xing)成的，改善(shan)彈簧放置(zhì)環境和縮(suo)短🧑🏽🤝🧑🏻放置時(shi)間可以避(bi)免腐蝕坑(keng)的産生。
在(zài)彈簧類零(ling)件中，如螺(luo)旋壓縮彈(dan)簧的兩個(gè)端圈，拉伸(shēn)⚽彈簧♋的彎(wān)鈎，扭杆的(de)固定端，闆(pǎn)簧的片與(yǔ)片之間都(dōu)可🤞能産生(sheng)微🌈動磨損(sun)（如圖7，圖8）。某(mou)公司的離(li)合器減振(zhen)彈簧在疲(pi)勞試驗中(zhong)斷裂，經分(fèn)析彈🏃🏻簧多(duo)處受到外(wài)力碰撞摩(mo)擦，造成彈(dan)簧過渡圈(quān)的接觸帶(dài)位置發生(sheng)偏移，使得(de)微振磨損(sǔn)不隻發生(shēng)在一個平(píng)面上，造成(cheng)不同微振(zhen)磨損平面(miàn)的交叠，導(dǎo)緻平面相(xiang)交處的應(yīng)力集中，導(dao)緻斷裂。
預(yù)防措施：可(kě)采取用抗(kang)腐蝕的材(cai)料或者在(zài)彈簧表🧑🏾🤝🧑🏼面(miàn)形成一個(ge)保護層的(de)表面處理(lǐ)方法來解(jiě)決。
3、微動磨(mó)損及碰撞(zhuang)磕痕、凹坑(kēng)
預防措施(shī)：除消除振(zhen)動和改進(jin)結構設計(jì)外，采用各(ge)種表☎️面處(chu)理如離子(zǐ)注入，化學(xué)熱處理以(yǐ)及噴丸、滾(gun)壓等表面(miàn)硬化工藝(yi)💁，提高表面(mian)的耐磨和(hé)疲勞性能(néng)，可以提🌂高(gāo)其抵抗微(wei)動磨損的(de)能力。而😄降(jiang)低表面的(de)摩擦系數(shù)即通過潤(run)🐉滑方式包(bao)括固體、半(ban)固體、及液(ye)體也可以(yi)減緩微動(dong)損傷的進(jìn)程。
彈簧因(yīn)為表面磕(ke)痕、凹坑等(děng)引起彈簧(huang)失效的情(qíng)況很🌈多🙇🏻，在(zai)失效🈲件中(zhōng)占很大比(bi)例。如某公(gōng)司離合器(qì)從🤟動盤彈(dàn)簧由于彈(dàn)簧表面存(cun)在的嚴重(zhong)磕傷而導(dao)緻它過早(zǎo)疲勞斷裂(lie)（如圖9，圖10）。這(zhe)種⛷️表面缺(quē)🌈陷可能發(fa)生在彈簧(huáng)制造過程(cheng)中，也可能(neng)在💘使用過(guò)程中磕碰(pèng)産生，制造(zao)過程🏃♀️前面(miàn)已述，而♻️在(zài)使用過程(cheng)，使用者要(yao)檢查使用(yong)環境，避免(mian)彈簧受碰(pèng)撞等。
4、工作(zuo)溫度的影(ying)響
因不同(tong)的材料有(yǒu)不同的耐(nai)熱性能，溫(wēn)度升高時(shí)，金屬會受(shou)熱膨脹，尺(chi)寸的相應(ying)變化會改(gǎi)變彈簧的(de)各種性🔴能(neng)。不僅如此(ci)，彈簧的彈(dan)性模量E和(hé)切變模量(liang)G下降，因此(cǐ)，即使在🌈載(zai)荷不變的(de)條件下，彈(dàn)簧的變形(xing)量将增大(dà)。而且，在應(ying)力、溫度和(he)時間的共(gòng)同作用下(xià)，變👨❤️👨形和松(song)弛将是彈(dan)簧失效的(de)一個重要(yao)模式。
實例(li)：采用琴鋼(gang)絲制造的(de)壓縮機閥(fá)簧，如長時(shí)間在160℃以上(shàng)工作，由于(yú)應力松弛(chí)和高度的(de)減小，幾乎(hū)所有閥簧(huáng)都被壓縮(suo)在閥座孔(kǒng)内，喪失了(le)閥簧的工(gōng)作性能而(er)失效。
低溫(wen)與高溫條(tiao)件相反，低(di)溫會使材(cai)料的彈性(xìng)模量、硬度(du)及強度✉️增(zeng)加，但其塑(sù)性和韌性(xìng)下降，特别(bié)是當溫度(du)低于該材(cai)料的冷脆(cui)轉變溫度(dù)時，材料的(de)脆性将非(fei)常✏️嚴重，例(lì)如，在零下(xia)40℃時，在沖擊(ji)載㊙️荷條件(jian)下工作的(de)彈簧往往(wǎng)會碎成幾(jǐ)段。
