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