彈簧是(shi)一般機(jī)械不可(kě)缺少的(de)零件，它(ta)在工作(zuo)過程中(zhōng)起到緩(huǎn)沖🈲平衡(heng)、儲存能(néng)量、自動(dòng)控制、回(hui)位定位(wèi)、安全保(bao)險等作(zuo)用⭐。彈簧(huáng)🏃🏻在使用(yong)過程中(zhōng)常因各(gè)種原因(yīn)🌐導緻失(shi)㊙️效而引(yǐn)起機械(xie)🈲故障。為(wéi)此，有必(bì)要讨論(lùn)引起📱彈(dan)簧失效(xiào)🔞的原因(yin)及預防(fang)措施。
導(dǎo)緻彈簧(huang)失效的(de)主要因(yīn)素有材(cai)料缺陷(xian)，加工制(zhì)造缺陷(xiàn)，熱處理(lǐ)不當，表(biǎo)面處理(li)不當，工(gong)作環境(jing)因素等(děng)。通過對(dui)近幾年(nian)21個彈簧(huang)失效案(an)例的彙(hui)總分析(xī)，彈簧表(biǎo)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(bǐ)例最大(dà)，占50%；另外(wai)還有裂(lie)紋占有(yǒu)20%；夾雜、疏(shu)松13%；脫碳(tàn)、熱處理(lǐ)、表面強(qiang)化分别(bie)占3%左右(yòu)。彈簧失(shī)效可♈由(you)一種原(yuán)因引起(qi)，也可由(you)幾種原(yuán)因因素(su)綜合作(zuo)用所緻(zhì)。因此🏃，對(duì)彈簧的(de)失效分(fen)析必須(xū)😄先對實(shi)例的失(shi)效現象(xiang)進行種(zhǒng)種調🔞查(chá)分析，弄(nong)清楚其(qi)💯失效模(mó)式，然後(hòu)找出其(qí)失效的(de)原因因(yīn)素，從而(ér)提出改(gai)進措施(shi)。
一、彈簧(huang)原材料(liào)引起的(de)彈簧失(shī)效:
1、由于(yu)鋼的冶(ye)煉方法(fa)不同，會(hui)使鋼中(zhōng)存在不(bú)同程度(du)⛹🏻♀️造成💛彈(dan)簧㊙️早期(qī)疲勞失(shī)效的夾(jiá)雜物，夾(jiá)雜物過(guò)量或🤩尺(chǐ)寸過大(da)，均勻度(du)不好都(dōu)會影響(xiǎng)材料的(de)力學性(xìng)能，容易(yi)早期疲(pí)勞失效(xiào)。
實例：某(mou)公司一(yī)件型号(hào)為SY6480（Ф22mm）的車(che)輛懸架(jià)用扭杆(gan)彈簧，在(zai)新✊車出(chu)庫時便(bian)發生斷(duàn)裂，分析(xi)認為斷(duàn)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(tú)🤟2(圖1的放(fàng)大圖)）。
預(yù)防措施(shī)：彈簧材(cái)料必須(xū)有優良(liang)的冶金(jin)質量，如(rú)嚴格控(kòng)制化學(xué)成分、高(gao)純淨度(du)，較低夾(jiá)雜物含(han)量，同時(shí)還要求(qiú)材📧料成(chéng)分和組(zu)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(za)質元素(sù)，提高鋼(gang)的純淨(jìng)度，應采(cǎi)用真空(kong)冶煉及(jí)電渣重(zhòng)熔等精(jīng)煉技術(shu)。
2、軋制過(guo)程可能(néng)引起的(de)缺陷：殘(cán)餘縮管(guǎn)及中心(xīn)裂紋；折(shé)疊缺陷(xiàn)（如圖3）；線(xiàn)狀缺陷(xiàn)、劃痕；表(biǎo)面鏽蝕(shí)坑；過燒(shao)、桔皮狀(zhuang)表面、麻(má)坑；這些(xiē)🌈都可能(neng)導緻彈(dan)簧失效(xiào)。所以鋼(gāng)廠應盡(jìn)量避免(miǎn)和消除(chú)🙇🏻軋制過(guo)程中産(chan)生的缺(quē)陷，彈📱簧(huang)廠應加(jia)強對彈(dàn)簧🔞原材(cái)料質量(liang)檢查，盡(jin)量采用(yòng)表面質(zhì)量好的(de)材料。
冷(leng)成形螺(luó)旋彈簧(huáng)在卷簧(huang)時由于(yu)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(sheng)彈簧的(de)表面缺(que)陷。如自(zi)動卷簧(huáng)機上切(qiē)斷彈簧(huáng)時切刀(dao)就有可(ke)能插傷(shāng)鄰近😍彈(dàn)簧圈鋼(gāng)絲的内(nei)表面。熱(rè)成形彈(dan)簧由于(yu)熱成形(xíng)加熱溫(wēn)度過高(gao)彈簧表(biao)面産生(sheng)桔皮狀(zhuàng)缺陷，使(shǐ)彈簧疲(pi)勞壽♊命(mìng)大幅度(du)降低。或(huo)者，熱成(cheng)形時，由(yóu)于加🛀🏻熱(re)溫度過(guò)低，鋼的(de)塑性不(bú)夠，熱成(cheng)形過程(cheng)中彈簧(huáng)表面應(ying)力超過(guò)材料強(qiang)度極限(xiàn)會産生(sheng)裂紋[1]。所(suo)以在制(zhì)造過程(cheng)中也要(yao)加強對(dui)彈簧表(biao)面質量(liang)檢☁️查，盡(jìn)量避免(miǎn)表面缺(quē)陷的産(chǎn)生。
二、制(zhi)造過程(cheng)中引起(qi)的彈簧(huáng)失效:
冷(lěng)成形螺(luo)旋彈簧(huang)在卷簧(huang)時由于(yú)卷簧過(guo)程中工(gōng)藝👅裝備(bei)不良或(huò)調整操(cao)作不當(dang)會産生(shēng)彈簧的(de)表面缺(quē)陷。如自(zi)動卷簧(huang)機上切(qie)斷彈簧(huáng)時切刀(dāo)就有可(kě)能插傷(shāng)鄰近彈(dan)簧圈鋼(gāng)絲的内(nei)表面。熱(re)成形彈(dàn)簧由于(yú)熱成形(xing)加熱溫(wēn)度過高(gāo)彈簧表(biǎo)面産生(shēng)桔皮狀(zhuàng)缺陷，使(shǐ)彈簧疲(pí)勞壽命(ming)大幅度(du)降低。或(huo)者，熱成(cheng)形時，由(you)于加熱(re)溫度過(guò)低，鋼的(de)塑性不(bú)夠，熱☀️成(chéng)形過程(chéng)中彈簧(huáng)表面應(yīng)力超過(guò)材料強(qiang)度極限(xiàn)會産生(shēng)裂紋。所(suǒ)以在制(zhì)造過程(cheng)中也要(yào)加強❤️對(dui)彈簧表(biao)面質量(liang)❌檢查，盡(jìn)量避免(mian)表面缺(quē)陷的産(chǎn)生。
三、熱(re)處理工(gōng)藝缺陷(xian)造成的(de)彈簧失(shī)效:
彈簧(huang)在加熱(re)或冷卻(que)期間表(biao)面和中(zhōng)心溫度(du)分布不(bú)均勻會(huì)引起熱(re)應力，相(xiang)變的過(guò)程會造(zao)成組織(zhi)應力,其(qí)總值超(chao)🤟過材🧑🏽🤝🧑🏻料(liào)的強度(du)🈲極限時(shi)會導緻(zhi)開裂。這(zhè)種缺陷(xiàn)多見于(yú)尺寸較(jiao)大的在(zai)水中淬(cui)火的彈(dan)簧,其裂(liè)紋産生(sheng)後無法(fǎ)修複隻(zhī)能報廢(fèi)。另外原(yuán)材料的(de)缺陷⭐，如(ru)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(cheng)中的劃(huà)痕、折疊(dié)等缺陷(xiàn)，都會造(zao)成淬火(huo)時♊的應(yīng)力集中(zhong)而👈開裂(lie)。如圖4所(suǒ)示🍓即為(wei)某公司(sī)彈簧由(yóu)于最初(chū)的表面(miàn)上的短(duǎn)淺折疊(die)裂紋，在(zài)淬火熱(re)💃處理時(shi)，該裂紋(wen)沿徑向(xiàng)擴展至(zhi)3.9mm，在做疲(pi)勞試驗(yan)時，它首(shou)先擴展(zhan)🈲，直至達(dá)到臨界(jie)尺❗寸而(ér)引起彈(dàn)簧的瞬(shun)時破斷(duan)。熱處📱理(lǐ)不當産(chǎn)生🐇的非(fei)正常組(zǔ)織🌈如粗(cu)大的淬(cui)火馬氏(shi)體👈；先共(gong)析鐵素(sù)體或遊(you)離鐵⭕素(sù)體；碳化(hua)物偏析(xī)；彈簧的(de)熱處理(li)變形；表(biao)面氧化(huà)與脫碳(tan)都會造(zao)💚成彈簧(huáng)失效。
實(shí)例:某廠(chǎng)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(yī)次㊙️淬火(huǒ),470～490℃回♍火。裝(zhuang)車使用(yong)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(jin)行檢查(cha),發現個(gè)别彈簧(huang)出現淬(cui)火裂紋(wén),經爐氣(qì)成分分(fèn)析發現(xiàn),大約有(yǒu)一個月(yuè)煤氣成(cheng)分不當(dāng),發熱量(liàng)偏高,使(shǐ)爐溫過(guò)高,個别(bié)彈簧過(guo)熱,奧氏(shi)體晶粒(lì)粗大,水(shuǐ)中淬火(huǒ)後出現(xiàn)淬火裂(liè)紋,由🥵于(yú)水的冷(lěng)卻能力(lì)很強,在(zai)奧氏體(tǐ)向馬氏(shì)體轉變(biàn)溫度區(qu)，彈簧表(biao)面與心(xin)部溫差(cha)增大，因(yīn)馬氏體(ti)相變的(de)先後不(bu)同,引起(qi)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(jia)熱溫度(du)、保溫時(shí)間外，控(kong)制爐内(nei)氣氛是(shi)很重要(yao)的，定期(qī)分析加(jiā)熱煤氣(qi)成分,保(bao)證熱量(liang)🔅供應正(zheng)常；為了(le)🌍減少變(bian)形,杜絕(jue)淬火開(kāi)裂，除了(le)尺🥰寸過(guò)大的熱(re)成形彈(dan)簧外,一(yī)般♉熱成(chéng)形彈簧(huang)采用在(zai)油中冷(lěng)卻。
四、表(biǎo)面處理(li)工藝不(bu)當造成(chéng)的彈簧(huáng)失效:
1、表(biǎo)面噴丸(wan)強化工(gong)藝，噴丸(wan)強化設(she)備、工藝(yi)方法及(ji)操作水(shuǐ)平對噴(pēn)💞丸強化(hua)有很大(dà)的影響(xiang)，如果制(zhi)造者不(bú)把噴丸(wán)工藝當(dang)🔞作一個(gè)重要的(de)強化工(gōng)藝，充分(fèn)注意🈲噴(pēn)丸工👌藝(yì)的控👄制(zhi)，也不🐉進(jin)行工藝(yi)效果🎯的(de)必要檢(jiǎn)測💋，那麼(me)噴丸處(chu)理有可(ke)能得不(bu)到它應(ying)有的強(qiáng)化效果(guǒ)，甚至可(ke)能成🐉為(wei)彈簧發(fa)生早期(qī)失效的(de)誘因。
實(shí)例：某廠(chǎng)進口的(de)彈簧原(yuán)材料，是(shì)經滲氮(dàn)表面處(chù)理的，表(biao)面硬📧度(du)較高，經(jing)噴丸處(chù)理後，導(dǎo)緻表面(mian)産生裂(lie)紋而🍉最(zuì)終斷裂(liè)。所以針(zhēn)對不同(tong)的材料(liao)，經不同(tong)的工藝(yi)處理後(hou)，要選擇(ze)的合适(shi)的噴丸(wán)工藝。
2、電(diàn)鍍時彈(dàn)簧表面(miàn)及鍍層(céng)中富含(han)的氫氣(qi)，如不能(néng)得到🔞及(ji)時和充(chōng)分的清(qīng)除，可導(dao)緻彈簧(huáng)在工作(zuò)時的氫(qīng)緻滞後(hou)斷🏃♂️裂而(ér)失效。有(yǒu)時在氧(yang)化處理(lǐ)或磷化(huà)處理前(qián)，為了去(qu)除彈❌簧(huang)表面的(de)氧化皮(pi)和鏽迹(ji)，需進行(hang)酸洗。當(dāng)酸洗過(guò)度造成(cheng)🧡氫大量(liàng)滲入零(ling)件内部(bù)，而又未(wei)能及時(shi)和充分(fen)的除氫(qīng)處💘理時(shi)，可導緻(zhì)🐉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(su)彈簧鋼(gāng)絲鍍镉(gé)後，制成(chéng)中徑🔅4.0mm扭(niǔ)轉彈簧(huang)，在裝配(pei)時發生(shēng)斷裂。采(cai)用能譜(pu)分析(EDS)、金(jīn)相分析(xī)和掃描(miao)電🐇鏡(SEM)對(duì)斷口進(jin)行了宏(hóng)觀和微(wēi)觀檢測(ce)及分析(xī)🤟。結果表(biao)明：彈簧(huang)在繞制(zhì)✍️過程中(zhōng)🔴的殘餘(yú)拉應㊙️力(li)以及在(zài)鍍前接(jiē)觸了含(hán)氫介質(zhì)，緻使大(dà)量的氫(qing)殘💘留并(bing)呈彌散(san)✉️分布形(xíng)态，進🌈而(er)形成沿(yán)晶裂紋(wen)，在外力(li)㊙️作用下(xia)，導緻彈(dàn)簧沿晶(jīng)脆性斷(duan)裂。
五、工(gōng)作條件(jian)對彈簧(huáng)失效的(de)影響:
1、負(fu)載狀況(kuàng)對彈簧(huang)失效的(de)影響
通(tōng)用機械(xie)中受沖(chong)擊作用(yòng)的彈簧(huang)很多，如(rú)噴油泵(beng)之🐉柱🈲塞(sāi)彈簧。這(zhe)種彈簧(huáng)常在第(di)二、三圈(quān)處折斷(duàn)，因為第(di)二、三圈(quan)首先受(shòu)到沖擊(ji)載荷且(qiě)不能足(zu)夠快地(di)傳給其(qí)它各圈(quan)，頭幾圈(quān)承受了(le)大部分(fèn)沖擊，且(qie)比其各(gè)圈🚩變形(xíng)大得多(duō)。
設計者(zhe)應考慮(lǜ)到動力(li)效應，盡(jìn)可能避(bì)免一端(duan)的交變(biàn)運動與(yu)彈簧的(de)自然頻(pin)率之一(yi)發生共(gong)振。但有(you)時共振(zhèn)現象無(wu)法避免(mian)🎯，應力幅(fu)度會增(zēng)加5%以上(shang)，則要采(cai)取相應(ying)措施，例(li)如采用(yòng)較高的(de)自然頻(pín)率，使其(qí)不與低(dī)次諧波(bo)共振。設(shè)計合理(li)的凸輪(lún)外形,以(yǐ)降低工(gong)作階段(duàn)的節距(jù)。減少彈(dàn)簧端部(bù)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(yòng)摩擦強(qiáng)迫阻尼(ni)。
嚴格說(shuō)來，彈簧(huang)工作時(shí)，載荷不(bú)可能作(zuo)用在幾(ji)何中心(xin)線上，會(huì)形成偏(piān)心載荷(he)，總偏一(yī)個距離(li)e，這種負(fù)載偏心(xin)要産生(sheng)附加的(de)🐪應力，而(er)使彈簧(huáng)安全應(yīng)力顯著(zhe)減小，導(dao)緻彈簧(huang)過早失(shi)效。另外(wài)彈簧運(yùn)行之初(chu)承受過(guo)載荷也(ye)非常危(wēi)險，初期(qī)過載損(sǔn)傷的累(lèi)積将降(jiang)低🈲彈簧(huáng)疲勞極(ji)限而導(dǎo)緻早期(qī)疲勞斷(duan)裂。
2、環境(jing)因素對(duì)彈簧失(shī)效的影(yǐng)響
在腐(fu)蝕環境(jìng)中承受(shou)交變載(zai)荷将發(fā)生腐蝕(shí)疲勞，由(you)于腐蝕(shi)環🌈境能(neng)加速疲(pí)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(shí)下的持(chi)久極限(xian)僅是大(da)氣☔中的(de)10%～25%。
實例：對(dui)某電廠(chang)汽輪機(ji)主汽門(mén)操縱座(zuò)彈簧的(de)斷裂💃失(shi)效進行(háng)了🏒分析(xī)。結果表(biǎo)明：彈簧(huáng)材料化(hua)學成分(fen)及組織(zhi)都符☎️合(hé)國📐家标(biāo)🛀🏻準，導㊙️緻(zhi)其早期(qi)疲勞斷(duàn)裂的主(zhǔ)要原因(yin)是彈簧(huáng)㊙️表面的(de)腐蝕坑(kēng)🈲（如圖5，圖(tú)6）；腐蝕坑(keng)是在彈(dàn)簧使用(yòng)前的放(fàng)置過程(cheng)中形✏️成(chéng)的，改善(shan)🧑🏽🤝🧑🏻彈簧放(fang)置♈環境(jing)和縮短(duan)放置時(shí)間可以(yi)避免腐(fǔ)蝕坑的(de)産生。
在(zài)彈簧類(lei)零件中(zhong)，如螺旋(xuán)壓縮彈(dan)簧的兩(liǎng)個端圈(quan)，拉👉伸彈(dan)簧的彎(wan)鈎，扭杆(gan)的固定(ding)端，闆簧(huang)的片與(yǔ)片之間(jian)都可能(néng)産生微(wei)☂️動磨❤️損(sun)（如圖7，圖(tu)8）。某公司(sī)的離合(hé)器減振(zhèn)彈簧在(zài)疲勞試(shì)驗中斷(duan)裂，經分(fen)析彈簧(huang)多處受(shou)到外力(lì)碰撞摩(mó)擦，造成(cheng)彈簧過(guo)渡圈的(de)接觸帶(dài)位置發(fā)🐪生偏移(yi)，使得微(wēi)振磨損(sun)不♊隻發(fa)生在一(yi)個平面(mian)上，造成(chéng)不同微(wēi)振磨損(sǔn)平面的(de)交叠，導(dao)緻平面(mian)相交處(chu)的應力(lì)集中，導(dao)緻斷裂(liè)。
預防措(cuò)施：可采(cai)取用抗(kàng)腐蝕的(de)材料或(huo)者在彈(dàn)簧表面(mian)形成一(yī)個保護(hù)層的表(biǎo)面處理(li)方法來(lái)解決。
3、微(wēi)動磨損(sǔn)及碰撞(zhuang)磕痕、凹(āo)坑
預防(fang)措施：除(chu)消除振(zhèn)動和改(gai)進結構(gòu)設計外(wài)，采用各(ge)種❄️表面(miàn)處⛷️理如(rú)離子注(zhu)入，化學(xué)熱處理(li)以及噴(pen)丸、滾壓(yā)等表面(mian)硬化❓工(gōng)藝，提高(gao)表面的(de)耐磨和(hé)疲勞性(xìng)能，可以(yi)提高其(qi)抵抗微(wēi)動磨損(sun)的能力(lì)。而降低(dī)表面的(de)摩擦系(xi)數即通(tong)過潤滑(huá)方式包(bāo)括固體(ti)、半固體(tǐ)、及液體(tǐ)也可以(yǐ)減緩微(wei)動損傷(shāng)的進程(cheng)。
彈簧因(yīn)為表面(miàn)磕痕、凹(ao)坑等引(yin)起彈簧(huang)失效的(de)情況很(hen)多，在失(shi)效件中(zhong)占很大(da)比例。如(ru)某公司(sī)離合器(qì)從動盤(pan)彈簧💘由(yóu)于彈簧(huang)✊表面存(cún)在的嚴(yan)重磕傷(shāng)而導緻(zhì)它過早(zao)疲勞斷(duan)裂（如圖(tú)9，圖10）。這種(zhǒng)表面缺(quē)🌈陷可能(néng)發生在(zài)彈簧制(zhi)造過程(cheng)中，也可(ke)能在使(shi)用過程(cheng)中磕碰(peng)産生，制(zhi)造過程(cheng)前面已(yi)述，而在(zài)使用過(guò)程，使用(yong)者要檢(jiǎn)查使用(yòng)環境📐，避(bì)💞免彈簧(huang)受碰撞(zhuang)等。
4、工作(zuo)溫度的(de)影響
因(yin)不同的(de)材料有(yǒu)不同的(de)耐熱性(xing)能，溫度(du)升高時(shi)，金💃🏻屬會(huì)受熱膨(péng)🈚脹，尺寸(cun)的相應(yīng)變化會(huì)改變彈(dan)簧的各(ge)種性能(néng)。不僅如(ru)此，彈簧(huáng)的彈性(xing)模量E和(hé)切變模(mo)量G下降(jiàng)，因此，即(ji)使在載(zǎi)荷不變(biàn)的條件(jian)下，彈簧(huang)的變形(xing)量将增(zeng)大。而且(qie)，在應力(li)🚶、溫度和(hé)時間的(de)共同🤟作(zuo)用下，變(biàn)形和松(sōng)弛将是(shi)彈簧失(shī)效的一(yī)個重要(yao)🐇模式。
實(shí)例：采用(yong)琴鋼絲(sī)制造的(de)壓縮機(ji)閥簧，如(ru)長時間(jiān)在160℃以😄上(shàng)🔞工作，由(you)于應力(lì)松弛和(hé)高度的(de)減小，幾(jǐ)乎所有(you)閥簧都(dou)被壓縮(suō)在閥座(zuò)孔内，喪(sàng)失了閥(fa)簧的工(gōng)作性能(néng)而失效(xiao)。
低溫與(yǔ)高溫條(tiáo)件相反(fan)，低溫會(hui)使材料(liào)的彈性(xing)模量、硬(ying)度及強(qiang)度✌️增加(jiā)，但其塑(su)性和韌(ren)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(du)時，材料(liào)的脆性(xìng)将非常(cháng)🥰嚴重，例(li)如，在零(ling)💋下40℃時，在(zài)沖擊載(zai)荷條件(jiàn)下工作(zuò)的彈簧(huang)往往會(huì)碎成幾(ji)段。
