彈(dan)簧是一般(ban)機械不可(kě)缺少的零(ling)件，它在工(gōng)作過程⭕中(zhōng)起到緩🈲沖(chòng)平衡、儲存(cún)能量、自動(dong)控制、回位(wei)定位、安全(quan)保☂️險等作(zuò)用。彈簧在(zài)使用過程(chéng)中常因各(gè)種原因導(dǎo)緻失🔅效而(er)引起機械(xiè)🔱故障。為此(ci)，有必要讨(tǎo)論引起彈(dan)簧失效的(de)原因及預(yu)防措施。
導(dǎo)緻彈簧失(shī)效的主要(yào)因素有材(cái)料缺陷，加(jiā)工制造缺(quē)👄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(ji)年21個彈簧(huáng)失效案例(lì)的彙總分(fen)析，彈簧表(biao)面缺陷，包(bāo)括碰撞磕(ke)痕、微動磨(mó)損、凹坑等(deng)造成彈簧(huang)失效的比(bi)例最大，占(zhan)50%；另外還有(you)裂紋占有(you)20%；夾雜、疏松(sōng)13%；脫碳、熱處(chu)理、表面強(qiang)化分别占(zhan)3%左右。彈簧(huang)失效可由(you)一種原因(yīn)引起，也可(kě)由幾種原(yuan)因因素綜(zōng)合作用🥵所(suǒ)緻。因此，對(dui)彈簧的失(shi)效🎯分析必(bi)須😍先對實(shi)例的失效(xiao)現象進行(hang)種種調查(chá)分析，弄清(qing)楚其失🔞效(xiao)模式，然後(hòu)找出其失(shī)效的原因(yīn)🔴因素，從而(ér)提出改進(jin)措♉施。
一、彈(dàn)簧原材料(liào)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(zao)成彈簧早(zao)期疲勞失(shi)效的夾雜(zá)物，夾雜物(wù)過量或尺(chǐ)寸過大，均(jun1)勻度不好(hao)都會影響(xiang)材料的力(lì)學性能，容(rong)易早期疲(pí)勞失效。
實(shí)例：某公司(sī)一件型号(hao)為SY6480（Ф22mm）的車輛(liang)懸架用扭(niu)杆彈簧，在(zài)新車出庫(ku)時便發生(sheng)斷裂，分析(xi)認為斷裂(lie)起源于彈(dàn)簧亞表面(miàn)存在的一(yī)個🔞粗大脆(cuì)性夾雜物(wù)（如圖1，圖😄2(圖(tú)1的放大圖(tu))）。
預防措施(shi)：彈簧材料(liào)必須有優(you)良的冶金(jīn)質量，如嚴(yan)格控制化(hua)學成分、高(gāo)純淨度，較(jiao)低夾雜物(wu)含量，同時(shí)還要🌈求材(cai)🔞料成分和(hé)⭐組織的均(jun)勻性和穩(wen)定性。為了(le)降低鋼中(zhōng)有害氣體(ti)和雜質元(yuan)素，提高鋼(gāng)的純淨度(du)，應采用真(zhēn)空冶煉及(ji)👨❤️👨電渣重熔(róng)等精煉技(jì)術。
2、軋制過(guò)程可能引(yǐn)起的缺陷(xiàn)：殘餘縮管(guǎn)及中心裂(lie)紋；折疊缺(que)陷（如圖3）；線(xian)狀缺陷、劃(huà)痕；表面鏽(xiù)蝕坑；過燒(shao)、桔皮狀表(biao)面、麻坑；這(zhè)些都可🔴能(neng)導緻彈簧(huáng)失效。所以(yǐ)鋼廠應盡(jìn)量避免和(hé)消除軋制(zhì)過程中産(chan)生的缺陷(xian)，彈簧廠應(yīng)加強對彈(dan)簧原材料(liào)質量檢查(chá)，盡量采用(yòng)表面質量(liang)好的👈材料(liao)。
冷成形螺(luó)旋彈簧在(zài)卷簧時由(yóu)于卷簧過(guo)程中工藝(yi)裝備不良(liang)或調整操(cao)作不當會(hui)産生彈簧(huang)的表面缺(quē)陷。如自動(dòng)卷簧機上(shang)🚩切斷🏃🏻♂️彈簧(huang)時切刀就(jiù)有可能插(chā)傷鄰近彈(dan)簧圈鋼絲(sī)的内表面(miàn)。熱成形彈(dan)簧由于熱(rè)成形加熱(rè)溫度過高(gāo)彈簧表面(mian)産生桔皮(pi)狀缺陷，使(shǐ)❤️彈簧疲勞(lao)壽命大幅(fu)度降低。或(huo)者，熱成🏃🏻♂️形(xíng)時，由于加(jiā)熱溫度過(guo)低，鋼的塑(sù)性不夠，熱(rè)成形過程(cheng)中彈簧表(biǎo)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(zhi)造過程中(zhong)也要加強(qiang)🏃♂️對彈簧表(biao)面質量檢(jian)查，盡量避(bì)免表面缺(quē)陷的産生(shēng)。
二、制造過(guò)程中引起(qi)的彈簧失(shī)效:
冷成形(xing)螺旋彈簧(huáng)在卷簧時(shí)由于卷簧(huang)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(dan)簧時切刀(dao)就有可能(néng)插傷鄰近(jin)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(guo)高彈簧表(biao)面産生桔(ju)皮狀缺陷(xiàn)，使彈簧疲(pi)勞壽🌍命大(da)幅度降低(dī)。或者，熱成(chéng)形時，由于(yu)加💃熱溫度(du)過低⭐，鋼的(de)塑性不夠(gòu)，熱成形過(guo)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(zai)制造過程(cheng)中也要加(jia)強👅對彈簧(huáng)表面質量(liang)檢🈲查，盡量(liàng)避免表面(mian)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(què)期間表面(mian)和中心溫(wen)度分布不(bú)均💛勻會🤟引(yin)🚶起熱應力(li)，相變的過(guò)程會造成(cheng)組織應力(li),其總值超(chao)過材料的(de)強度極限(xian)時會導緻(zhi)開裂。這種(zhǒng)缺陷多見(jiàn)于尺🥰寸較(jiao)大的在水(shuǐ)中淬火的(de)彈簧,其裂(lie)紋産生後(hou)無法修複(fú)隻能報廢(fèi)。另外原材(cai)料的缺陷(xian)，如鋼中的(de)殘餘縮孔(kǒng)、白點、冷加(jiā)工刀痕、冷(leng)拉和熱軋(zhá)❤️過程中的(de)劃痕、折疊(dié)等缺陷，都(dou)會造成淬(cuì)火時的應(yīng)力集中而(ér)♍開裂。如🚶♀️圖(tu)4所示即為(wéi)某公司彈(dan)簧由于最(zui)初的表面(mian)上的短淺(qiǎn)折疊裂紋(wén)，在淬火熱(re)處理時，該(gai)裂紋沿徑(jìng)向擴展至(zhi)3.9mm，在做疲勞(láo)試驗時，它(ta)首先擴展(zhan)，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(chǎn)生的非正(zhèng)常組🔴織如(ru)粗大的淬(cuì)火馬氏體(tǐ)；先共析鐵(tiě)素體或遊(you)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(tàn)都會造成(cheng)彈簧失效(xiao)。
實例:某廠(chǎng)60Si2MnA熱成型彈(dan)簧,d=25，D=120，n=5，在溫度(dù)900～950℃卷制成型(xing),卷後一次(ci)淬火🚶♀️,470～490℃回火(huo)。裝車使用(yong)後彈簧連(lián)續幾次發(fā)生早期失(shi)🌈效。對已失(shi)效的彈簧(huáng)進行♉檢查(cha),發現個别(bie)彈簧出現(xiàn)淬火裂紋(wén),經爐氣成(chéng)分‼️分析發(fa)現,大約📐有(yǒu)一個月煤(méi)氣成分不(bu)當,發熱量(liang)偏高,使爐(lú)溫過高,個(ge)别彈簧過(guo)熱,奧氏體(ti)晶粒粗大(da),水中淬火(huo)後出現淬(cuì)火裂紋,由(you)⛷️于水的冷(lěng)卻能力很(hen)強,在奧氏(shì)體向馬氏(shi)體轉變溫(wen)度區，彈簧(huang)表面與⛱️心(xīn)部溫✊差增(zeng)大，因馬氏(shi)體相變的(de)先後不同(tóng),引起很大(dà)🐪的組織應(ying)力,因而出(chū)現裂紋。
預(yu)防措施：除(chú)嚴格控制(zhi)好加熱溫(wēn)度、保溫時(shi)間外，控制(zhì)爐内氣氛(fen)是很重要(yao)的，定期分(fèn)析加熱煤(mei)氣成分,保(bǎo)證熱量供(gòng)應正常👈；為(wéi)了♍減少變(biàn)形,杜絕淬(cui)火開裂，除(chu)了尺寸過(guò)大的熱成(chéng)形彈簧外(wài),一般☎️熱成(chéng)形彈簧🧑🏾🤝🧑🏼采(cai)用在油中(zhōng)冷卻。
四、表(biǎo)面處理工(gong)藝不當造(zào)成的彈簧(huáng)失效:
1、表面(mian)噴丸強化(hua)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(zào)者不把噴(pen)丸工藝當(dang)作一個重(zhong)要的強化(hua)工藝，充分(fèn)注意噴丸(wan)工藝的控(kòng)制，也不進(jìn)行工藝效(xiao)果的必要(yào)檢測，那麼(me)噴丸處理(li)有可能得(dé)不到它應(ying)有的強化(huà)效果☀️，甚至(zhi)可能成為(wei)彈簧發生(sheng)早期失效(xiao)的🤩誘因。
實(shi)例：某廠進(jin)口的彈簧(huang)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(wen)而最終斷(duàn)裂。所以針(zhen)對不同的(de)材料，經不(bú)同的工藝(yi)處理後，要(yao)選擇的合(he)🌈适的噴丸(wán)工藝。
2、電鍍(dù)時彈簧表(biao)面及鍍層(ceng)中富含的(de)氫氣，如不(bu)能得到及(jí)時和充分(fèn)的清除，可(kě)導緻彈簧(huang)在工作時(shi)的氫緻滞(zhì)後斷裂而(ér)失效。有時(shi)在氧化處(chù)理或磷化(hua)處理前，為(wéi)了去除彈(dàn)簧表面的(de)氧化皮和(he)鏽迹，需進(jìn)行酸🙇🏻洗。當(dang)酸洗過度(du)造成氫大(da)量滲入零(líng)件内部，而(er)又未👨❤️👨能及(ji)時和充分(fen)的除氫處(chù)理時，可導(dǎo)緻彈簧的(de)氫脆斷裂(lie)失效。
實例(lì)：直徑0.6mm的70"冷(lěng)拔碳素彈(dàn)簧鋼絲鍍(dù)镉後，制成(cheng)中徑4.0mm扭轉(zhuǎn)彈簧，在📞裝(zhuang)配時發生(shēng)斷裂。采用(yong)能譜分析(xī)(EDS)、金相分析(xī)和掃描電(dian)鏡(SEM)對斷口(kǒu)進行了宏(hóng)觀和微觀(guan)檢測及分(fèn)析。結果表(biao)🈲明：彈簧在(zai)繞制過程(cheng)中的殘餘(yú)拉應力以(yi)及在鍍前(qian)接觸了含(han)氫介✌️質，緻(zhi)使大量的(de)氫殘留并(bing)呈彌散🥵分(fen)布形态，進(jin)而形成沿(yan)晶裂紋，在(zai)外力作用(yòng)下，導緻彈(dan)簧沿晶脆(cui)性斷裂。
五(wǔ)、工作條件(jiàn)對彈簧失(shī)效的影響(xiǎng):
1、負載狀況(kuàng)對彈簧失(shī)效的影響(xiǎng)
通用機械(xie)中受沖擊(ji)作用的彈(dan)簧很多，如(rú)噴油泵之(zhī)柱塞彈簧(huáng)。這種彈簧(huang)常在第二(er)、三圈處折(shé)斷，因為第(di)🧡二、三✂️圈首(shǒu)先受到沖(chong)擊載荷且(qie)不能足夠(gou)快地傳給(gei)其它各圈(quān)，頭幾圈承(chéng)受🈲了大部(bù)分沖擊，且(qie)比其各圈(quan)變形大得(dé)多。
設計者(zhe)應考慮到(dào)動力效應(yīng)，盡可能避(bì)免一端的(de)交變⛹🏻♀️運動(dong)與☀️彈🏒簧的(de)自然頻率(lü)之一發生(shēng)共振。但有(you)時共振現(xian)象♻️無法避(bi)免，應力❓幅(fu)度會增加(jia)5%以上，則要(yào)采❌取相應(ying)⁉️措施，例如(ru)采用較高(gao)的自然頻(pin)率，使其不(bú)與低次諧(xié)波共振。設(she)計合理的(de)凸輪外形(xíng),以降低工(gōng)作階段的(de)節距。減少(shao)彈簧端部(bu)的節距,以(yǐ)改變沖擊(jī)時的自然(ran)頻率🈲；對彈(dan)簧中部增(zeng)用摩擦強(qiáng)迫阻尼。
嚴(yán)格說來，彈(dàn)簧工作時(shí)，載荷不可(kě)能作用在(zài)幾何中心(xin)線上，會形(xing)成偏心載(zǎi)荷，總偏一(yī)個距離e，這(zhè)種負載偏(piān)心要産生(sheng)附加的應(yīng)力，而使彈(dan)簧安全應(yīng)力顯著減(jiǎn)小，導緻彈(dan)簧過早失(shi)效。另外♉彈(dan)簧運行之(zhī)初承受過(guo)載荷也✨非(fēi)常危險，初(chū)期過載損(sǔn)傷的累積(jī)将降低🥵彈(dan)簧疲勞極(jí)🔞限而導緻(zhì)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(zhōng)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(lao)的萌生和(hé)擴展，因而(ér)會顯著降(jiàng)低彈簧的(de)疲勞壽命(ming)。例如彈簧(huang)鋼試樣在(zài)淡水💃🏻腐蝕(shi)下的持久(jiǔ)極限僅是(shì)大氣中的(de)10%～25%。
實例：對某(mou)電廠汽輪(lun)機主汽門(men)操縱座彈(dàn)簧的斷裂(liè)失效🤞進行(hang)了分析。結(jié)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(qí)早期疲勞(láo)斷裂的主(zhǔ)要原因是(shì)彈簧表面(miàn)的腐蝕坑(kēng)🔞（如圖5，圖6）；腐(fu)蝕坑是在(zai)彈簧使用(yong)前的放置(zhì)過程中形(xíng)成的，改善(shàn)彈簧放置(zhì)環境和縮(suo)短♉放置時(shí)間可以避(bì)免腐蝕坑(kēng)的産生。
在(zai)彈簧類零(ling)件中，如螺(luó)旋壓縮彈(dàn)簧的兩個(ge)端圈，拉伸(shēn)彈簧的彎(wān)鈎，扭杆的(de)固定端，闆(pan)簧的片與(yǔ)片之間🤟都(dou)可能産生(sheng)微動磨損(sun)（如圖7，圖8）。某(mǒu)公司的離(lí)合器減🌈振(zhen)彈簧在疲(pí)勞試驗中(zhōng)斷裂，經分(fen)析彈簧多(duō)處受到🔆外(wai)力碰撞摩(mo)擦，造成彈(dàn)簧過渡圈(quān)的接觸帶(dài)位置發🈚生(shēng)偏移，使得(dé)微振磨損(sǔn)不隻發生(shēng)在一🥵個平(ping)面上，造🈚成(chéng)不同微振(zhen)磨損平面(mian)的交叠，導(dao)緻平面相(xiàng)交處的應(yīng)力集中，導(dǎo)緻斷裂。
預(yù)防措施：可(ke)采取用抗(kang)腐蝕的材(cai)料或者在(zài)彈簧表面(mian)形成一個(gè)保護層的(de)表面處理(lǐ)方法來解(jiě)決。
3、微動磨(mo)損及碰撞(zhuang)磕痕、凹坑(keng)
預防措施(shi)：除消除振(zhen)動和改進(jìn)結構設計(ji)外，采用各(ge)種✔️表面處(chu)理如離子(zi)注入，化學(xue)熱處理以(yǐ)及噴丸、滾(gǔn)壓等表面(miàn)硬化工藝(yi)，提高表面(miàn)的耐磨和(hé)疲勞性能(neng)，可以提高(gao)其抵抗微(wei)動☔磨損的(de)⁉️能力。而降(jiang)低表面的(de)摩擦系數(shu)即通過潤(rùn)💘滑方式包(bāo)括固體、半(ban)固體、及液(yè)體也可以(yi)減🏃緩微動(dong)損傷的進(jìn)程。
彈簧因(yin)為表面磕(ke)痕、凹坑等(deng)引起彈簧(huáng)失效的情(qíng)況很多🎯，在(zài)🔅失效件中(zhōng)占很大比(bǐ)例。如某公(gōng)司離合器(qì)從動盤彈(dan)簧🛀由于彈(dàn)簧表面😄存(cún)在的嚴重(zhong)磕傷而導(dǎo)緻它過早(zao)疲勞斷裂(liè)（如圖9，圖10）。這(zhè)種表面缺(quē)陷可能發(fa)生🔞在彈簧(huáng)制造過程(chéng)中，也可能(néng)在使用過(guo)程中磕碰(pèng)産生，制造(zào)過程前面(miàn)已述，而在(zai)使用過程(chéng)，使用者要(yào)檢查使用(yong)環境，避免(miǎn)彈簧受碰(peng)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(wen)度升高時(shi)，金屬會受(shou)熱膨脹，尺(chǐ)寸的相應(yīng)變化會改(gai)變彈簧的(de)各種性能(neng)。不僅如🤟此(ci)，彈簧的彈(dàn)性模量E和(hé)切變模量(liang)G下降，因此(ci)🈚，即使在載(zai)荷不變的(de)條件下，彈(dàn)簧的變形(xíng)量将增大(da)。而且，在應(yīng)力、溫度和(he)時間的共(gòng)同🛀🏻作用下(xia)，變形和松(sōng)弛将📱是彈(dan)簧失效的(de)一個重要(yào)模式。
實例(lì)：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(chi)和高度的(de)減小，幾乎(hu)所有閥簧(huang)都被壓縮(suo)在閥座孔(kong)内，喪失了(le)閥簧的工(gong)作性能而(er)失🐉效。
低溫(wēn)與高溫條(tiao)件相反，低(di)溫會使材(cái)料的彈性(xing)模量、硬度(du)及強度增(zēng)加，但其塑(su)性和韌性(xìng)下降，特别(bie)是當溫度(du)低于該材(cai)🥰料的冷脆(cuì)轉變溫度(dù)時，材料的(de)脆性将非(fēi)常嚴重，例(lì)如，在零下(xia)40℃時，在沖擊(jī)載荷條件(jiàn)下工作的(de)彈簧往往(wang)會碎成幾(ji)段。
