彈(dan)簧是一般機械(xie)不可缺少的零(líng)件，它在工作過(guò)程中起到緩沖(chòng)平衡、儲存能量(liàng)、自動控制、回位(wèi)定位、安👅全保險(xian)等作用。彈簧在(zai)使用過程中常(cháng)因各種原因導(dao)緻失🌈效而引起(qi)機械故障。為此(ci)，有必💞要讨論引(yin)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(jiā)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(dàn)簧表面缺陷，包(bāo)括碰撞磕痕、微(wēi)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(zhàn)3%左右。彈簧失效(xiào)可由一種原因(yin)引起，也可由幾(jǐ)種原因因素綜(zong)合作用所緻。因(yin)此，對彈簧的失(shi)效分析必須先(xian)對實例的失效(xiào)現象進行種種(zhong)調查分析，弄清(qīng)楚其失效模式(shi)，然後找出其❄️失(shī)效的原因因素(sù)，從而提出改進(jìn)措施。
一、彈簧原(yuan)材料引起的彈(dàn)簧失效:
1、由于鋼(gang)的冶煉方法不(bú)同，會使鋼中存(cún)在不同程度♻️造(zao)💁成彈簧🐇早期疲(pí)勞失效的夾雜(zá)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(shi)例：某公司一件(jian)型号為SY6480（Ф22mm）的車輛(liàng)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(yī)個❄️粗大脆性夾(jiá)雜物（如圖1，圖2(圖(tú)1的放💰大圖)）。
實(shi)例：某公司一件(jian)型号為SY6480（Ф22mm）的車輛(liàng)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(yī)個❄️粗大脆性夾(jiá)雜物（如圖1，圖2(圖(tú)1的放💰大圖)）。
預防(fang)措施：彈簧材料(liào)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(jiao)低夾雜物含量(liang)，同時還要求材(cai)料成分和🐪組織(zhī)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(tí)高💃🏻鋼的純淨度(dù)，應采用真空冶(yě)煉及電渣重熔(róng)等精煉技術。
2、軋(zha)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(ru)圖3）；線狀缺陷、劃(hua)痕；表面鏽蝕坑(keng)；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(hé)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(liào)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(juan)簧過程中工藝(yi)👉裝備💋不良或調(diao)整操作不當會(hui)産生彈簧的表(biǎo)面缺陷。如自動(dong)卷簧機上♈切斷(duan)⚽彈簧時切刀就(jiù)有可能插傷鄰(lin)近🌐彈簧圈鋼絲(sī)的内表面🈲。熱成(cheng)形彈簧由于熱(re)成形加熱溫度(du)過高彈簧表面(miàn)産生桔皮狀缺(quē)陷，使彈簧疲勞(láo)壽命大幅度降(jiang)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(hui)産生裂紋[1]。所以(yi)在制造過程中(zhōng)也要加強對彈(dan)簧表面質量檢(jian)查，盡量避免表(biao)面缺陷的産生(shēng)。
三、熱處(chù)理工藝缺陷造(zao)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(yin)起⭐熱應力，相變(bian)的過程會造成(cheng)組織應力,其總(zong)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(chi)寸較大的在水(shuǐ)中淬火的彈簧(huáng),其裂紋産生後(hòu)無法修複隻能(néng)報廢。另外原材(cái)料的缺陷🌈，如鋼(gāng)中的殘📐餘縮孔(kǒng)、白點、冷加工刀(dāo)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(shí)的應力集中而(er)💯開裂。如圖4所示(shì)即為某公司彈(dàn)簧由于最初的(de)表面上的短淺(qian)折疊裂紋，在淬(cui)火熱處理時，該(gāi)裂紋沿徑向擴(kuò)展至3.9mm，在做疲勞(láo)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(bú)當産生🌂的非正(zheng)常組織如粗大(da)的淬火馬氏體(tǐ)；先共析鐵素體(tǐ)或遊離鐵素體(tǐ)；碳化物偏析；彈(dan)簧的熱處理變(bian)形；表面氧化與(yǔ)脫碳都♋會造成(chéng)彈簧失效。
實例(li):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(che)使用後彈簧連(lián)續幾次發生早(zao)期失❓效。對已失(shi)效的彈簧進行(hang)檢查,發現個别(bié)彈簧出現淬火(huo)裂紋,經爐氣成(chéng)分分析發現,大(dà)約有一個月煤(méi)氣成分不👌當,發(fa)熱量偏高,使爐(lu)溫過高,個别彈(dàn)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(shuǐ)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(zēng)大，因🍓馬氏體相(xiàng)變的先後不同(tong),引起很大☂️的組(zu)織應力,因而出(chu)現裂紋。
預防措(cuo)施：除嚴格控制(zhi)好加熱溫度、保(bǎo)溫時間外，控制(zhi)㊙️爐内🌈氣氛㊙️是很(hěn)重要的，定期分(fen)析加熱煤氣成(chéng)分,保證熱量供(gong)應正常✍️；為了📞減(jiǎn)少變形,杜絕淬(cuì)火開裂⭐，除了尺(chǐ)✍️寸過大☁️的熱成(chéng)形彈簧外,一般(bān)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:
2、電鍍(du)時彈簧表面及(jí)鍍層中富含的(de)氫氣，如不能得(de)🔆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(duàn)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(biao)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(shen)入零件内部，而(ér)又未🌈能及時和(he)充分的除氫處(chù)⭐理時，可導緻彈(dàn)簧的氫脆⚽斷裂(liè)失效。
實例：直徑(jing)0.6mm的70"冷拔碳素彈(dan)簧鋼絲鍍镉後(hòu)，制成中徑4.0mm扭轉(zhuan)彈簧🌈，在裝配時(shí)發生斷裂。采用(yòng)能譜分析(EDS)、金相(xiàng)分析和掃✨描電(diàn)鏡(SEM)對斷口進行(háng)了宏觀和微觀(guān)檢測及分析💋。結(jie)果表明：彈簧在(zài)繞制🔞過程中🐕的(de)殘餘拉應☂️力以(yi)及在鍍前接觸(chù)了含氫介質，緻(zhi)使大量的氫殘(can)⁉️留并呈彌散分(fèn)布形态，進而形(xing)成沿晶裂紋，在(zai)外力✉️作用下，導(dǎo)緻彈簧沿晶脆(cuì)性斷裂。
1、負載(zǎi)狀況對彈簧失(shi)效的影響
通用(yong)機械中受沖擊(ji)作用的彈簧很(hěn)多，如噴油泵之(zhī)柱🈲塞彈簧🏃。這種(zhǒng)彈簧常在第二(èr)、三圈處折斷，因(yin)為第二、三圈首(shou)先受到沖擊載(zǎi)荷且不能足夠(gòu)快地傳給其它(tā)各圈，頭幾♌圈承(cheng)受了大部分沖(chong)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(lü)之一發生共振(zhèn)。但有時共振現(xiàn)象無法避免，應(ying)力幅度會增加(jiā)5%以上，則要采⭕取(qu)相應措施，例如(ru)采用較高的🔞自(zi)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(ke)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(yīng)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(dan)簧運行之初承(cheng)受過載荷也🔱非(fēi)常危險，初期過(guò)載損傷的累積(ji)将降低彈簧疲(pi)勞極限而導緻(zhi)早期疲勞斷裂(lie)。
通用(yong)機械中受沖擊(ji)作用的彈簧很(hěn)多，如噴油泵之(zhī)柱🈲塞彈簧🏃。這種(zhǒng)彈簧常在第二(èr)、三圈處折斷，因(yin)為第二、三圈首(shou)先受到沖擊載(zǎi)荷且不能足夠(gòu)快地傳給其它(tā)各圈，頭幾♌圈承(cheng)受了大部分沖(chong)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(lü)之一發生共振(zhèn)。但有時共振現(xiàn)象無法避免，應(ying)力幅度會增加(jiā)5%以上，則要采⭕取(qu)相應措施，例如(ru)采用較高的🔞自(zi)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(ke)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(yīng)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(dan)簧運行之初承(cheng)受過載荷也🔱非(fēi)常危險，初期過(guò)載損傷的累積(ji)将降低彈簧疲(pi)勞極限而導緻(zhi)早期疲勞斷裂(lie)。
在彈簧類零(líng)件中，如螺旋壓(ya)縮彈簧的兩個(gè)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(dou)可能産生微動(dòng)磨損（如圖7，圖8）。某(mou)公司的離合器(qì)減🌈振彈簧🚶在疲(pi)勞試驗中斷裂(lie)，經分析彈簧多(duo)處受到外力碰(pèng)撞摩擦，造成彈(dan)簧過渡👨❤️👨圈的接(jiē)觸帶位置發生(sheng)偏移，使得微振(zhen)磨損不隻發生(sheng)在一個平面上(shàng)，造成不同微振(zhèn)磨損平面的交(jiao)叠，導緻平面相(xiang)交處的應力集(jí)中，導緻斷🍉裂。
預(yù)防措施：可采取(qu)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(jiě)決。
3、微動磨損及(ji)碰撞磕痕、凹坑(kēng)
預防措施：除消(xiao)除振動和改進(jin)結構設計外，采(cai)用各種表面處(chù)理如離子注入(rù)，化學熱處理以(yi)及噴丸、滾壓等(děng)表面硬化工藝(yì)🈲，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(biǎo)面的摩擦系數(shù)即通過潤滑方(fang)式包括固體、半(bàn)👈固體、及液💃🏻體也(yě)可以減緩微動(dong)損傷的進程。
彈(dan)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(xiao)💁件中占很大比(bǐ)例。如某公司離(lí)合器從🔞動盤彈(dan)簧由于💛彈簧表(biao)面存在的嚴重(zhòng)磕傷而導緻它(tā)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(zao)過程中，也可能(neng)在使用過程中(zhōng)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(mian)彈簧受碰撞等(deng)。
預防措施：除消(xiao)除振動和改進(jin)結構設計外，采(cai)用各種表面處(chù)理如離子注入(rù)，化學熱處理以(yi)及噴丸、滾壓等(děng)表面硬化工藝(yì)🈲，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(biǎo)面的摩擦系數(shù)即通過潤滑方(fang)式包括固體、半(bàn)👈固體、及液💃🏻體也(yě)可以減緩微動(dong)損傷的進程。
彈(dan)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(xiao)💁件中占很大比(bǐ)例。如某公司離(lí)合器從🔞動盤彈(dan)簧由于💛彈簧表(biao)面存在的嚴重(zhòng)磕傷而導緻它(tā)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(zao)過程中，也可能(neng)在使用過程中(zhōng)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(mian)彈簧受碰撞等(deng)。
4、工作溫度的影(ying)響
因不同的材(cái)料有不同的耐(nài)熱性能，溫度升(sheng)高時，金屬會受(shòu)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(mó)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(gong)同作用下，變😍形(xíng)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(zhì)造的壓縮機閥(fa)簧，如長時間在(zài)160℃以上工作，由于(yu)應力松弛和高(gao)度的減小，幾乎(hū)所有🍓閥簧都被(bèi)壓縮在閥😍座孔(kong)内，喪失了閥簧(huáng)的工作性🏃♀️能而(ér)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(du)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(cái)🐕料的冷脆轉變(biàn)溫度時，材料的(de)脆性🥰将非常嚴(yan)重，例如，在零下(xia)40℃時，在沖擊載荷(he)條件下工作的(de)彈簧往往會碎(sui)成幾段。
因不同的材(cái)料有不同的耐(nài)熱性能，溫度升(sheng)高時，金屬會受(shòu)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(mó)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(gong)同作用下，變😍形(xíng)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(zhì)造的壓縮機閥(fa)簧，如長時間在(zài)160℃以上工作，由于(yu)應力松弛和高(gao)度的減小，幾乎(hū)所有🍓閥簧都被(bèi)壓縮在閥😍座孔(kong)内，喪失了閥簧(huáng)的工作性🏃♀️能而(ér)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(du)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(cái)🐕料的冷脆轉變(biàn)溫度時，材料的(de)脆性🥰将非常嚴(yan)重，例如，在零下(xia)40℃時，在沖擊載荷(he)條件下工作的(de)彈簧往往會碎(sui)成幾段。
