彈簧是一般機械不可缺少的零(líng)件，它在工作過程(chéng)中起到緩沖平衡、儲存能量、自動控制、回位定位、安全保險等(děng)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)彈簧失效的原因及預防措施(shī)。
導緻彈簧失效的主要因素有(yǒu)材料(liào)缺陷，加工(gōng)制造缺陷，熱處(chù)理不當(dāng)，表面處理不當，工作環(huán)境因素等(děng)。通過對近幾年21個彈(dàn)簧失效案例的(de)彙總(zǒng)分析，彈簧表面缺陷，包括碰撞磕痕、微動磨損、凹坑等造成彈簧失(shī)效的(de)比例最大，占50%；另外還有裂紋占有20%；夾雜、疏(shū)松13%；脫碳、熱處理(lǐ)、表面強化分别占(zhàn)3%左右。彈簧(huáng)失效可由一種原因引起，也(yě)可由幾種原因因素綜合作用所緻。因此(cǐ)，對彈簧的失效分析(xī)必須先對實例的失效現(xiàn)象進行種種調(diào)查分析，弄清(qīng)楚其失效模式，然後找出其失效的原因因素，從而提(tí)出改進措(cuò)施。
一、彈(dàn)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(tóng)，會使鋼中存在不同程度造成彈簧早期疲勞失效的(de)夾雜物，夾雜物過量或尺寸過大，均勻度不好都會影響材料的力學性能，容易早期疲勞失效。
實例：某公司一件型(xíng)号為SY6480（Ф22mm）的車輛懸架用扭杆彈簧，在新車出庫時(shí)便發生斷裂，分析認為斷裂起源于(yú)彈(dàn)簧亞表(biǎo)面存在的一個粗大脆性(xìng)夾雜物（如圖1，圖2(圖1的放大(dà)圖)）。
預防措(cuò)施：彈簧(huáng)材料必須有優良的冶金質量，如嚴格控制化(huà)學成分、高純淨度(dù)，較低夾雜物含量，同(tóng)時還要求材料成分和組織的均勻性(xìng)和穩定性。為(wéi)了降低鋼(gāng)中有害氣(qì)體和(hé)雜質元素，提高鋼的純淨度，應采用真空冶煉(liàn)及電渣重熔等精煉技術。
2、軋制過程可能引起(qǐ)的缺陷(xiàn)：殘餘縮(suō)管及中心裂紋；折疊缺陷（如圖3）；線狀缺陷、劃痕；表面鏽蝕坑；過(guò)燒、桔皮狀表面、麻坑(kēng)；這些都(dōu)可能導緻(zhì)彈簧失效。所以鋼廠(chǎng)應(yīng)盡量避免和(hé)消除軋制過程中産生的缺(quē)陷，彈簧廠應加強對(duì)彈簧(huáng)原材料質量檢查，盡量采用表(biǎo)面質量好的材料。
冷成形螺旋彈簧在卷簧時由于卷簧過程中工(gōng)藝裝備不(bú)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切刀就有可(kě)能插傷鄰近彈簧(huáng)圈鋼絲的内表面(miàn)。熱成形彈簧由于(yú)熱成形加熱(rè)溫度過高彈簧表面産生桔皮狀缺陷(xiàn)，使彈簧疲勞壽命大幅度降低。或者，熱成形時，由(yóu)于加熱溫度過低，鋼的塑性不夠，熱成形過(guò)程中彈簧(huáng)表面應力超(chāo)過材料強度極限會産(chǎn)生裂紋[1]。所以在制造過程中也要加強對彈簧(huáng)表面質量檢查(chá)，盡量(liàng)避免表面缺(quē)陷的産生。
二、制造(zào)過程中引起的彈簧失效:
冷成(chéng)形螺旋彈簧在卷簧時由于(yú)卷簧過程中(zhōng)工藝裝備不良(liáng)或調整操作不當會産生(shēng)彈簧的表面缺陷。如自動卷簧機上切斷彈簧時(shí)切(qiē)刀就有可能插傷鄰近彈簧圈鋼絲的内表面。熱成形彈簧由于熱成形(xíng)加熱溫度過(guò)高彈簧表面産生桔皮(pí)狀缺陷，使彈簧(huáng)疲勞(láo)壽命(mìng)大幅度降低。或者，熱成形(xíng)時，由于加熱溫度(dù)過低，鋼的塑性不夠，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。所以在(zài)制造過(guò)程中也要加強(qiáng)對彈(dàn)簧表(biǎo)面質量檢查，盡量避免表面缺陷的(de)産生。
三、熱處理工藝缺陷造成(chéng)的彈簧失效(xiào):
彈簧在加熱或冷卻期間(jiān)表(biǎo)面和中心溫度分布不均勻會引起熱應力(lì)，相變的過程會造成組織應(yīng)力,其總值(zhí)超過材料的強度極限時會導(dǎo)緻開(kāi)裂。這種缺陷多(duō)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隻能報廢。另外原材料的缺陷，如鋼中的殘餘縮孔、白點、冷加工刀痕、冷拉和熱軋過程(chéng)中的劃痕、折疊等缺陷，都會造成淬火時的(de)應力集中(zhōng)而開裂。如圖4所示即(jí)為某公司彈簧由于最初的表(biǎo)面上的短淺折疊裂紋(wén)，在淬火熱處理時，該裂(liè)紋沿徑向擴展至3.9mm，在做疲勞試驗時，它首先(xiān)擴(kuò)展，直至達到臨界尺寸而引起彈簧的(de)瞬時破(pò)斷。熱處理不當産生的非正常組織如粗大的淬火馬氏體；先共析鐵素體或遊離鐵素體(tǐ)；碳化物偏析；彈簧的熱處理變形；表面氧化與脫碳都會造成彈簧失(shī)效。
實例:某廠60Si2MnA熱成型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫(wēn)度900～950℃卷制成型,卷後一次淬火,470～490℃回火。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查,發(fā)現(xiàn)個别彈簧出現(xiàn)淬火裂紋,經爐氣(qì)成分分析發(fā)現,大約有一個月煤氣(qì)成分不當,發熱(rè)量偏高,使爐溫過(guò)高(gāo),個别彈簧過熱,奧氏體晶粒粗大,水(shuǐ)中淬火後出現淬火裂紋,由于水的(de)冷卻能力(lì)很強,在奧氏體向馬氏體轉變溫度區，彈簧(huáng)表面與心部溫差(chà)增大，因馬氏體相變的先後不同,引起很大的組織(zhī)應力,因而出現裂紋。
預防措施：除嚴格控制好加熱溫度(dù)、保溫時間外，控制(zhì)爐内氣氛是很重(zhòng)要的，定期分析加(jiā)熱煤氣成分,保證熱量供應正常；為了減少變形,杜絕淬火(huǒ)開裂，除了尺寸過大的熱成形彈簧外,一般熱成形彈簧采用在油中冷卻。
四、表面處(chù)理(lǐ)工藝不當造成的彈(dàn)簧失效:
1、表面噴丸強化工藝，噴丸強化設備、工(gōng)藝方法及操作水平(píng)對噴丸強化有很大的影響，如果制造者不把噴丸工藝當作一個重要的強化(huà)工藝，充分注(zhù)意(yì)噴丸工藝的控制，也不進行工藝效果的必要檢測(cè)，那麼噴丸處理有可能得不到它(tā)應有的強化(huà)效果，甚至可能成為彈簧發(fā)生早期失效(xiào)的誘因。
實例(lì)：某廠進口的彈簧原材料，是經滲氮表面處理的，表面硬度較高，經噴丸處理(lǐ)後，導緻表面産生裂紋而最終斷裂。所以(yǐ)針對不同的材料，經不同(tóng)的工(gōng)藝處理後，要選擇的合适的噴丸工藝。
2、電鍍時彈簧(huáng)表面及鍍層中富含的氫氣(qì)，如不能得(dé)到及時和充分的清除，可導緻彈簧在工作時(shí)的氫緻滞後斷裂而失效(xiào)。有時在氧化處理(lǐ)或磷(lín)化處理前，為了去除彈簧表面(miàn)的氧化皮和鏽(xiù)迹，需進行酸洗(xǐ)。當酸(suān)洗過度造成氫大量滲入零件内部，而又未能及時和充(chōng)分的(de)除氫處理時，可導緻彈簧(huáng)的氫脆斷裂失效。
實例：直徑0.6mm的70"冷拔碳(tàn)素彈簧鋼絲(sī)鍍镉(gé)後，制成中徑4.0mm扭轉彈簧，在裝配時發(fā)生斷裂。采(cǎi)用能譜分析(EDS)、金相分(fèn)析和(hé)掃描電鏡(SEM)對斷口(kǒu)進行了宏觀和微(wēi)觀檢(jiǎn)測及分析。結(jié)果表明：彈簧在繞制過(guò)程中的殘餘(yú)拉應力以及在鍍(dù)前接觸了含氫介質，緻使大量的氫殘留并呈彌散分布形态，進而形成沿晶裂紋，在外力(lì)作用下(xià)，導緻彈簧沿晶脆性斷裂。
五、工作條件對彈簧失效的影(yǐng)響:
1、負載(zǎi)狀況對彈簧失效的影響
通用機械中受沖擊作(zuò)用的彈簧很多，如噴油泵之柱塞彈簧。這(zhè)種彈簧常在第二、三圈處折斷，因為(wéi)第二、三圈首先受到沖擊載荷(hé)且不(bú)能足夠快地傳給其它各圈，頭幾圈承受了大部分沖擊(jī)，且比其各圈變形大得多。
設(shè)計者(zhě)應考慮(lǜ)到動力效(xiào)應，盡可能(néng)避免一端的交變運動與彈簧(huáng)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%以上，則要采取相應措施，例如(rú)采(cǎi)用較(jiào)高的自然頻率，使其不與(yǔ)低次諧波共振。設(shè)計合理(lǐ)的凸輪外形,以降低工作階段的節距。減(jiǎn)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(mó)擦強迫阻尼。
嚴格說來，彈簧工作時，載荷不(bú)可能作用在(zài)幾何(hé)中心線上，會形成偏心載荷，總偏一個距離e，這種負載偏心要産(chǎn)生附(fù)加的應力(lì)，而使彈簧(huáng)安全應力顯(xiǎn)著減小，導緻彈簧過早失效。另外彈簧運(yùn)行(háng)之初承受過載(zǎi)荷也非(fēi)常危險，初期過載損傷的累積将降低彈簧疲勞極限而導緻早期疲勞斷裂。
2、環境因素對彈簧失效的影響
在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(jí)限僅是大氣中(zhōng)的10%～25%。
實例：對(duì)某電廠汽輪機主汽(qì)門操縱座彈簧的斷裂失效進行了分析(xī)。結果表明：彈簧材料(liào)化學成分及(jí)組織(zhī)都符合國家(jiā)标準，導緻其早期疲勞斷裂的主要原因是彈簧表面的腐蝕坑（如圖5，圖6）；腐蝕坑是在彈簧使(shǐ)用前的放置過程中(zhōng)形成的，改善彈簧放置環境和縮短(duǎn)放置(zhì)時間可以避免腐蝕(shí)坑的産生。
在彈簧類(lèi)零件中，如螺旋壓縮(suō)彈簧的兩個端圈，拉伸彈簧的(de)彎鈎，扭杆的固定端，闆簧的片(piàn)與片(piàn)之間都可能産生微動磨損(sǔn)（如圖(tú)7，圖(tú)8）。某公司的離合器減振彈簧在疲勞試驗中斷(duàn)裂，經分析彈簧多處受到外力(lì)碰撞(zhuàng)摩擦，造成彈簧過渡圈的接觸(chù)帶位置發生偏移，使得(dé)微振磨(mó)損不隻發生在一個平面上(shàng)，造成不(bú)同微(wēi)振磨(mó)損平面的交叠(dié)，導緻平面相交處的(de)應力集中，導緻斷裂。
預防措施：可采(cǎi)取用抗腐蝕的材料或者在彈簧表(biǎo)面形成一(yī)個保護層的表面處理方法來解決(jué)。
3、微動磨(mó)損及碰撞磕痕、凹坑
預防措施：除消除(chú)振動和改進結構設(shè)計外，采用各(gè)種表面(miàn)處理如離子注入，化(huà)學熱處(chù)理以(yǐ)及噴丸、滾壓等表面硬化工藝，提高表面的耐磨和疲勞性能，可(kě)以提高其抵抗微動(dòng)磨損的能力。而(ér)降低表面(miàn)的摩擦系數即通過潤(rùn)滑方式包括固體、半固體、及液體也可以減(jiǎn)緩微動損傷的進程。
彈簧因為表面(miàn)磕痕、凹坑等引起彈(dàn)簧失效的情況很多，在失效件(jiàn)中占很大比例。如某公司離合器從(cóng)動盤彈簧由于彈(dàn)簧表面存在的嚴重磕傷而導緻它過早疲勞斷裂（如圖9，圖10）。這種表面缺陷可能發生(shēng)在彈簧(huáng)制造過程中，也可能(néng)在(zài)使用過程中磕碰産生，制造過程前面已述，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(gōng)作溫度的影響
因不同的材料有不同的耐熱性能，溫度升高(gāo)時，金屬會受熱膨脹，尺寸的相(xiàng)應變(biàn)化(huà)會改變彈簧的各種性(xìng)能。不僅如此，彈簧的彈性模量(liàng)E和切(qiē)變模量G下降，因此，即使在載荷不變的條件下，彈簧的變形量将增大。而且，在應力、溫度和時間的共同作用下，變形和松弛将(jiāng)是彈簧失效(xiào)的一個重要模(mó)式。
實例：采用琴鋼絲制造的壓縮機閥簧，如長時間在160℃以(yǐ)上工作，由于應力松弛和高度(dù)的減(jiǎn)小，幾乎所有閥簧都被壓縮在閥座(zuò)孔内，喪失了閥簧的工作性能(néng)而失效。
低溫與高溫條(tiáo)件相反，低溫會使材料的彈性模量、硬度及強度增加，但其塑性和韌性下降，特别是當溫(wēn)度低于該材料的冷脆轉變溫度時，材(cái)料的脆性将非常嚴重，例如，在零下40℃時，在沖擊載荷條(tiáo)件下工作的彈簧往往會碎成幾段。
