彈簧是一般機械不可缺○少○[Shǎo]的零件，它◇在◇[Zài]工作過程[Chéng]中起[Qǐ]到緩沖平衡、儲存能量、自動控制、回位定(Dìng)位、安全保險等作用。彈簧在使用過程中常因各種原因導緻失效而引起機械故障。為此，有必⋄要⋄[Yào]讨論引起(Qǐ)彈簧失(Shī)效的原因及預防●措●施。
導緻彈簧失效的主要因素有◈材◈料(Liào)缺陷，加⋄工⋄制造缺陷，熱處理不[Bú]當，表面處理◆不◆當，工(Gōng)作環境因素等。通過對近(Jìn)幾年21個彈簧失◇效◇案例的彙總分析，彈簧表面[Miàn]缺陷，包括碰○撞○磕痕、微動磨[Mó]損、凹(āo)坑等造成彈簧[Huáng]失效∆的∆比例最大(Dà)，占50%；另外還有裂紋占(Zhàn)有20%；夾雜、疏松13%；脫碳、熱(Rè)處理、表面[Miàn]強化分别占3%◈左◈右。彈簧失效可[Kě]由一種原因引起，●也●∆可∆由幾(Jǐ)種原因因素(Sù)綜合作用所緻。因此，對彈簧的失效分析必(Bì)須(Xū)先對實例的失效現(Xiàn)象進行種(Zhǒng)種調查分析，弄[Nòng]清楚(Chǔ)其失[Shī]效模式，然後找出⋄其⋄失效的原○因○因素，○從○而提出改進措施。
一、彈簧原材[Cái]料引起的彈簧失效:
1、由于鋼[Gāng]∇的∇(De)冶煉方法不∇同∇，會▲使▲鋼中存在[Zài]不(Bú)同程度造成彈簧早∇期∇疲勞失效的▾夾▾雜物，夾雜[Zá]物過[Guò]量或尺寸過大，均勻度不好[Hǎo]都會影響材料的力學(Xué)性[Xìng]能，容▿易▿早期疲勞失效[Xiào]。
實例：某公司一件型(Xíng)号為SY6480（Ф22mm）的車輛▿懸▿架用[Yòng]扭杆彈簧，在新車出(Chū)庫時便發▿生▿斷裂，分析認為斷裂起源于(Yú)彈簧亞表面存在的一個粗大脆性夾雜物(Wù)（如圖1，圖2(圖1的放大圖)）。
預防措[Cuò]施：彈簧材料必須有優良的冶[Yě]金質量，如嚴格控制化學成分、高純(Chún)淨度，較低夾雜物含量，◆同◆時還要求材料成▽分▽和組織的均勻性和穩定性[Xìng]。為了降低鋼中▾有▾害氣體和[Hé]雜質元素，提高鋼的純淨[Jìng]度，應◆采◆用真空冶◊煉◊(Liàn)及電渣重熔等精煉技術。
2、軋制(Zhì)過程可能引起的缺陷：殘餘縮管及中心(Xīn)裂紋；折⋄疊⋄缺陷（如圖3）；線狀缺陷(Xiàn)、劃◊痕◊[Hén]；表面鏽蝕坑；過[Guò]燒、桔皮狀表面、麻坑；◆這◆些都可能導▾緻▾彈簧失效。所以鋼(Gāng)廠應(Yīng)▿盡▿量避免和消除◊軋◊[Zhá]制過程中産生的缺陷，彈簧廠應加強對[Duì]彈簧原材料◈質◈量檢查[Chá]，盡量采[Cǎi]用表面質(Zhì)◆量◆好的材料。
冷成形(Xíng)螺旋(Xuán)彈簧在卷[Juàn]簧時由于卷簧過程中▽工▽(Gōng)藝裝備不良▿或▿調整[Zhěng]操作不當會産生彈(Dàn)簧的表面缺陷(Xiàn)。如自動卷(Juàn)簧機上切斷彈[Dàn]簧時切[Qiē]刀就有可∇能∇插傷鄰近彈簧[Huáng]圈鋼[Gāng]絲的内表面[Miàn]。熱成▾形▾(Xíng)彈簧由于熱成▿形▿加熱溫度過高彈簧[Huáng]表面産生▽桔▽皮狀缺陷，使彈簧疲勞壽命大幅度降低。或者，熱成形時(Shí)，由于加熱溫度[Dù]過低，鋼的塑[Sù]性不夠，熱成形▿過▿(Guò)程中彈簧表面應力超過(Guò)材料(Liào)▾強▾度極限會産生裂[Liè]紋[1]。所以在制造過(Guò)程中也要加強對彈○簧○(Huáng)表面質量檢查，盡量避免表面[Miàn]缺陷▲的▲産[Chǎn]生。
二、制造過程中▽引▽(Yǐn)起的彈(Dàn)簧失效:
冷成形螺旋彈簧在卷簧時由于卷[Juàn]簧過程◇中◇工藝裝備不良或調整操作不當會産生彈簧的表●面●缺陷。如自動卷簧機上切斷彈簧時(Shí)切刀就有可能插(Chā)傷鄰近彈(Dàn)簧○圈○鋼絲∇的∇内表面。熱成[Chéng]形彈簧由(Yóu)于熱成∆形∆加▽熱▽▲溫▲度過高彈簧表面産生桔皮狀缺陷，使彈○簧○[Huáng]疲勞壽命大幅度降低。或者，熱(Rè)成形時，◇由◇于加熱溫[Wēn]▿度▿過低，鋼(Gāng)的塑性不夠，熱成形過程中彈簧表面應力超過材料強度極(Jí)限會産生裂紋。所以(Yǐ)在制造過程中也要加▿強▿對彈簧表[Biǎo]面◇質◇量檢查，盡量避免表面缺陷的産生。
三、熱處理工◇藝◇缺陷造成的彈簧失效[Xiào]:
彈簧在加[Jiā]熱或◈冷◈(Lěng)卻期間[Jiān]表面和中心溫度分布不均勻會(Huì)引起熱應力，相變∇的∇(De)過程(Chéng)會造成組織應(Yīng)力,其總值超過材料的強度極限時會▾導▾(Dǎo)緻開裂。這種[Zhǒng]缺陷多見于尺寸較大的在水中淬火的彈簧,其裂紋産生後無法修複(Fú)隻能▽報▽廢。另外原材料的缺陷，如鋼中的殘餘縮孔、白[Bái]點、冷(Lěng)加工刀痕、冷拉和熱(Rè)軋過程中的劃痕、∇折∇(Shé)疊等缺陷，都會造成淬○火○時的應力集中[Zhōng]而開裂。如圖4所示◊即◊為某○公○司彈簧由(Yóu)于最初的表[Biǎo]面上的短淺折疊裂[Liè]紋，在淬火熱處理時，該裂紋沿徑向擴展至3.9mm，在做▲疲▲勞試驗時，○它○首先▲擴▲展(Zhǎn)，直(Zhí)至達到▿臨▿界尺寸而引起彈簧的瞬時▾破▾斷。熱處[Chù]理(Lǐ)不當産生的[De]非正[Zhèng]常組織(Zhī)如粗大的(De)淬火馬氏體；先共(Gòng)析鐵素體或[Huò]遊離鐵素(Sù)體；碳化物∇偏∇析；彈簧(Huáng)的熱處理變形；表面氧化與[Yǔ]脫[Tuō]碳▲都▲會▾造▾[Zào]成彈簧失效。
實例:某廠60Si2MnA熱成型彈簧(Huáng),d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制成(Chéng)型,卷後一次淬火,470～490℃回(Huí)火。裝車使用後彈簧連續幾次◈發◈生早期失效(Xiào)。對已失效的彈簧進行檢(Jiǎn)查,發現個(Gè)别彈簧出現[Xiàn]淬火裂紋,經爐氣成分分析發現,大約(Yuē)有一個▲月▲煤氣成分不當,發熱量偏高,◈使◈爐溫過高[Gāo],個别彈簧過熱,奧[ào]氏體晶(Jīng)粒粗大(Dà),水中▲淬▲[Cuì]火後出現淬[Cuì]火裂紋,由于水的冷卻能力[Lì]很強,在奧氏體向◊馬◊(Mǎ)氏體轉變溫度區，彈簧表面與心部溫差(Chà)增大，因馬氏體相[Xiàng]變的先[Xiān]後[Hòu]不同,引起▲很▲[Hěn]大的組◈織◈應力,因而出現裂紋。
預防措[Cuò]施[Shī]：除嚴格控制好加熱[Rè]溫度、保溫[Wēn]時間外，控制(Zhì)爐(Lú)内氣氛是很∆重∆[Zhòng]要的，定期分析加熱[Rè]煤氣成分,保證熱量供應正[Zhèng]常；為了減少(Shǎo)變形,杜絕淬∆火∆開裂，除了尺寸過大的熱成◆形◆彈簧外,一般熱(Rè)成形彈簧采◆用◆(Yòng)在油中冷卻。
四[Sì]、表面處理(Lǐ)工藝不當造成(Chéng)的▽彈▽[Dàn]簧失效:
1、表面噴丸強化工藝，噴[Pēn]丸強化設備、工(Gōng)藝方法及操作水平對噴丸強化有[Yǒu]很[Hěn]大的影[Yǐng]⋄響⋄，如果制[Zhì]造●者●不把噴[Pēn]丸工藝(Yì)當作一個重要的強化工藝，充分注意噴丸工藝的控制，也不進行工藝效果的必要檢(Jiǎn)測，那麼噴▾丸▾處理有可◊能◊得不到它[Tā]應有的強化效果，甚至可能成為彈簧發(Fā)生早期失效的誘因。
實例：某(Mǒu)廠進口的彈簧原材[Cái]料，是經▲滲▲氮表面◇處◇理的，表[Biǎo]面硬度較高，經噴丸處理[Lǐ]後，導緻◆表◆(Biǎo)面産生裂紋而最終斷裂。所[Suǒ]∇以∇針對不同的材料，經◇不◇同的工(Gōng)藝處理後，要選擇的合[Hé]适的噴(Pēn)丸工藝。
2、電鍍時彈∇簧∇表[Biǎo]面及鍍層中富含的氫氣[Qì]，⋄如⋄不能得[Dé]∇到∇[Dào]及時和充分的[De]清除，可導緻彈簧在工作(Zuò)時(Shí)的氫緻滞後斷裂(Liè)而失效。有時在氧化處理或磷化處理前(Qián)，為了去除彈簧表面的氧化皮和鏽迹，需進行▲酸▲洗。當酸洗過度造成氫大量滲入零件内部，而又未能及時和[Hé]充分的(De)除氫處理[Lǐ]時，可導緻彈◈簧◈[Huáng]的(De)氫脆斷裂失效。
實(Shí)例：直徑0.6mm的[De]70"冷拔碳素彈簧鋼絲鍍镉後，制成中徑4.0mm扭轉彈簧，◇在◇(Zài)裝配時∇發∇生斷裂。采(Cǎi)用能譜分析(EDS)、金相分析▲和▲[Hé]掃描電鏡(SEM)對斷口進行了宏觀和◊微◊(Wēi)觀檢測及分析。結果表明：彈簧在繞[Rào]制◆過◆程中的殘餘拉應力以及在鍍前[Qián]接觸了(Le)含氫介質(Zhì)，緻使大量的氫殘留并呈彌散(Sàn)分布形▿态▿，進而形▿成▿沿晶裂紋，在外力◇作◇用下，導緻彈簧沿晶脆性斷裂。
五、工作條[Tiáo]件對彈簧失效的影響:
1、負載[Zǎi]狀況對彈簧(Huáng)失效的影響
通用機械中受沖擊作用的彈簧很多，如噴油泵之柱塞彈簧。這種∆彈∆(Dàn)簧常在第二、三圈處折斷，因為第二、三圈首先受[Shòu]到沖擊載荷且不(Bú)能足夠快地傳給其它各(Gè)圈，頭幾圈承受了大部分沖擊(Jī)，且比其各圈變形大[Dà]得多。
設計者應考慮(Lǜ)到動力效(Xiào)應，盡可能(Néng)避免◊一◊端的交[Jiāo]變運動(Dòng)與彈簧的自▲然▲頻率之一發生共振。▿但▿有時共振現象無法避免，應力[Lì]幅度會增[Zēng]加5%▲以▲[Yǐ]上，則要采取∆相∆(Xiàng)應措施，例(Lì)◈如◈[Rú]采用較高的自[Zì]然∆頻∆率，使其不與低次諧波共⋄振⋄[Zhèn]。設計合理的凸輪外(Wài)形,以降低工作階段的◇節◇距。減少彈簧◈端◈部的節距,以改變沖擊時的▾自▾[Zì]然頻率；對彈簧中部增用摩◈擦◈強迫阻尼。
嚴格說來，彈簧工作時，載荷▲不▲[Bú]可能作用在幾何中心線上，會形成[Chéng]偏心載[Zǎi]荷，總▽偏▽一個距離e，這種負載偏心要産生附加(Jiā)的應力，而使彈簧安全[Quán]應力顯著減小，導緻彈簧過∆早∆(Zǎo)失效。另外彈簧運行之初承受過載荷也▲非▲常危險，▽初▽期過◇載◇損傷[Shāng]的累積将降低[Dī]彈簧疲勞極限而導緻早[Zǎo]期疲勞斷裂。
2、環(Huán)境因素對彈簧[Huáng]失▾效▾的影響
在(Zài)腐蝕環境中承受交變◆載◆荷将(Jiāng)發生(Shēng)腐蝕疲勞，由于腐蝕環●境●能加速疲勞的萌▽生▽和擴展，因(Yīn)而會(Huì)顯著降低彈(Dàn)簧的疲勞壽命。例如彈簧鋼試樣在淡水腐蝕下的持久極限僅是大氣中的10%～25%。
●實●例：⋄對⋄某電廠汽輪(Lún)機主汽(Qì)門操縱座彈簧的斷裂失效進∇行∇了分析。結果表明：彈簧材◈料◈化學成分及組(Zǔ)織(Zhī)都符合國家标準，導∇緻∇其早期疲勞斷裂(Liè)的主要[Yào]原(Yuán)因(Yīn)是彈簧表面的腐∇蝕∇坑（如圖5，圖[Tú]6）；腐蝕坑是在(Zài)彈簧使用前的放置過程中形成的，改善彈簧放(Fàng)置環境(Jìng)和縮短放置時間可以避免腐蝕坑的産生(Shēng)。
在彈簧類(Lèi)零件中，◊如◊螺旋壓縮彈簧[Huáng]的○兩○∆個∆端圈，拉伸彈(Dàn)簧的[De]彎鈎，扭◆杆◆的固定端，闆[Pǎn]簧的片與片之間都可能▿産▿生微動磨損(Sǔn)（如圖7，圖8）。某公司的離合器減[Jiǎn]振彈簧在疲▾勞▾試驗中斷裂，經分析彈簧多處[Chù]受到外力[Lì]碰撞摩擦，造成彈簧過▾渡▾(Dù)圈的接觸帶位置發生偏移，使得[Dé]微振磨損不隻發生在一個平面上，造成不[Bú]同微振磨[Mó]損平面的交◇叠◇[Dié]，導(Dǎo)緻平面相交處▾的▾[De]應力集中，導緻斷裂。
預防措◈施◈[Shī]：可采取用抗腐蝕[Shí]的材料或者在彈簧表(Biǎo)面形成○一○(Yī)個保護[Hù]層的表面◆處◆理方(Fāng)法來解決。
3、微動磨損及碰(Pèng)撞磕痕[Hén]、凹坑
預防措施：除消除(Chú)振動和改進◇結◇(Jié)構◊設◊計外，采用(Yòng)各種表面處◊理◊如離[Lí]子注入，化(Huà)學熱處理以及噴丸、滾壓等表[Biǎo]面○硬○化工藝，提高表面的耐磨和疲勞性能，可(Kě)以提高其(Qí)抵抗微動磨損的能力。○而○▾降▾[Jiàng]低表面的摩擦系數即通過[Guò]潤滑方[Fāng]式包括固體、半固體、及液體也可以減[Jiǎn]緩(Huǎn)微動損傷的進程。
彈簧因為表面磕痕、凹坑等引起彈(Dàn)簧失效的情(Qíng)況很▾多▾(Duō)，在失效件中占很(Hěn)大比例。如某公司[Sī]離合[Hé]器從動盤(Pán)彈簧由于▲彈▲簧表面存在(Zài)的嚴[Yán]◇重◇磕傷而導緻它(Tā)▽過▽早疲勞斷裂（如圖9，圖10）。這種表面缺陷可能發◊生◊在彈簧制造過程中，也可能(Néng)在[Zài]使用過程中磕碰産生(Shēng)，制[Zhì]造過程前面已述，而[ér]在使用過程，使用者要檢查●使●用環(Huán)境，避[Bì]免彈簧受碰撞等。
4、工作溫度(Dù)的影響
因○不○同的材料(Liào)有不同的耐熱性能，溫度升高時，金屬會受熱膨脹(Zhàng)，尺寸的相應變化會改變彈簧的各種性(Xìng)能。不僅如此，彈簧的彈▽性▽模○量○E和切變模量G下降，因此，即使在載荷不變的條件下，彈簧的變[Biàn]形量将增大。而且，在應力、溫度[Dù]和時間的共同作用[Yòng]下，變形和[Hé]松弛将[Jiāng]是彈簧失效的一個⋄重⋄[Zhòng]要模式。
實例：采用▽琴▽鋼絲制造(Zào)的壓縮機閥簧[Huáng]，如長時間在160℃以上工作[Zuò]，由于應力松弛和高度[Dù]的減[Jiǎn]小，◇幾◇乎所有閥簧◇都◇被壓[Yā]縮在▲閥▲座[Zuò]孔内，喪失了閥簧的工作性能而失(Shī)效。
低溫與高◇溫◇條件相反，低⋄溫⋄會使(Shǐ)材[Cái]料的彈性模量、硬(Yìng)度○及○強度增加，但其[Qí]塑性和∆韌∆性(Xìng)下降，特别是當溫度低于該材料的(De)冷脆轉變溫度時，材料的脆性将非常嚴重，例如，在零(Líng)下40℃時，在沖擊載荷條[Tiáo]件下工○作○的彈簧往往會碎成幾段。
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