彈簧是一般機械(xiè)不可(kě)缺少的零(líng)件，它在工作過程中起到緩沖平(píng)衡、儲存(cún)能量(liàng)、自動控制、回位定位(wèi)、安全(quán)保險等作用。彈簧在(zài)使用過程中常因各種原因導緻失效而(ér)引起機械故障。為此，有必要(yào)讨論引起彈簧失效的(de)原因及預防措施。
導緻彈簧失(shī)效的主要因素有材料缺陷，加工制造缺陷，熱處理不當，表面處理不當，工作環境因素等。通過對近幾年21個(gè)彈簧失效案例(lì)的彙總分析，彈簧表面缺(quē)陷(xiàn)，包(bāo)括碰撞磕痕、微動磨損、凹坑等造成彈簧失效(xiào)的比例最大，占50%；另外還有裂紋占有(yǒu)20%；夾雜、疏松13%；脫碳(tàn)、熱處理、表面強化分别占(zhàn)3%左右。彈簧失效可由一種原因(yīn)引起，也可由幾種原因因素綜合作用所緻。因此，對彈簧的失效分析必須先對實例的失效現象進行種種(zhǒng)調查分析，弄清楚(chǔ)其失效模式，然後找出其失效的原因因素，從而提出改進措施。
一、彈簧原材料引起的彈(dàn)簧失效:
1、由(yóu)于鋼的冶煉方法(fǎ)不(bú)同，會使鋼中存在不同程度造(zào)成(chéng)彈簧早期疲勞失效的(de)夾雜(zá)物，夾雜物過量(liàng)或尺寸過大，均(jun1)勻度不好都會影響(xiǎng)材料的力學性能(néng)，容易早期疲勞失效。
實例：某公司一件型号為SY6480（Ф22mm）的車輛(liàng)懸架用扭杆彈(dàn)簧(huáng)，在新車出庫時便發生斷裂(liè)，分析認為斷裂起源于彈簧亞表面存在的一個粗大脆性夾(jiá)雜物（如圖1，圖2(圖(tú)1的放大圖)）。
預防措施(shī)：彈簧材料(liào)必須有優良的冶金質量，如嚴格控制化學成(chéng)分、高純淨度，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。為了(le)降低鋼中有害氣體(tǐ)和雜質元素，提(tí)高鋼的純淨度，應采用(yòng)真空冶煉及電渣重熔等精煉技術。
2、軋制過程可能引起的缺陷：殘餘縮管及中心裂(liè)紋；折(shé)疊缺陷（如圖3）；線狀缺陷、劃(huà)痕；表面鏽蝕坑(kēng)；過燒、桔皮狀表面、麻(má)坑；這些都可能導緻彈簧失效。所以(yǐ)鋼廠應盡量避免和消除軋制過程(chéng)中産(chǎn)生的缺陷，彈簧廠應加強對彈簧原材料質量檢查，盡量采用表面質量好的材料。
冷成形螺旋彈簧在卷簧時由于卷簧過程中工藝裝備不良(liáng)或調整操作不當會産生彈簧的表面缺(quē)陷。如自動卷簧機(jī)上(shàng)切斷彈簧(huáng)時切刀就(jiù)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加熱溫度過高彈簧表面(miàn)産生(shēng)桔皮狀缺陷，使彈(dàn)簧疲勞壽命大幅(fú)度降低。或者，熱(rè)成形時，由于加熱溫度過低，鋼的塑(sù)性(xìng)不夠，熱成形過程中彈簧表面應力超過材(cái)料強度極(jí)限會産生裂(liè)紋[1]。所以在制造過程中(zhōng)也要加強對彈簧表面質量檢查，盡量避免表面缺陷的産生。
二、制造過程中引起的彈簧失效:
冷成形螺旋彈簧在卷簧時由于(yú)卷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切(qiē)刀就(jiù)有可能插傷(shāng)鄰近彈簧圈鋼絲(sī)的内表面。熱成形彈簧由于熱(rè)成形加熱溫度過高彈(dàn)簧表面産生桔(jú)皮狀缺陷，使彈簧疲(pí)勞壽命大幅度降(jiàng)低。或者，熱成形時，由于(yú)加熱溫度過低(dī)，鋼的塑性不夠，熱成形過程中彈(dàn)簧表面應力超過材料強度極限會産生裂(liè)紋。所以在(zài)制造過程中也要(yào)加強對彈簧表面(miàn)質量檢查，盡量避(bì)免表面缺陷的産生(shēng)。
三、熱處理工藝缺陷造成(chéng)的彈簧失效(xiào):
彈簧在加(jiā)熱或冷卻期間表面和中心溫度分布不(bú)均勻會引起熱應力，相變的過程會造成組織應力,其總值超(chāo)過材料的強度極限時會(huì)導緻開裂。這種(zhǒng)缺(quē)陷多見于尺寸較大的(de)在水中淬火的(de)彈簧,其裂紋産生後無法修複隻能報廢。另外原(yuán)材(cái)料的缺陷(xiàn)，如鋼中的殘餘縮孔、白點、冷(lěng)加工刀痕、冷拉(lā)和熱軋(zhá)過程中的劃(huà)痕、折疊等缺(quē)陷，都會造成淬火時(shí)的應力集中而開裂。如圖4所示即為(wéi)某公司彈簧由于(yú)最初(chū)的表面上的短淺折疊裂紋(wén)，在(zài)淬火熱處理時，該裂紋沿(yán)徑向擴展至3.9mm，在做(zuò)疲勞(láo)試驗時，它(tā)首先擴展，直至達到臨界尺寸(cùn)而引起彈簧的瞬時破斷。熱處理不(bú)當産生的非正(zhèng)常(cháng)組織如粗大的淬火馬氏體；先共(gòng)析(xī)鐵素體或遊離鐵素體；碳化物偏析；彈簧的熱處理變形；表面氧化與脫碳都會造成(chéng)彈簧失效。
實例:某廠(chǎng)60Si2MnA熱成型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制成型,卷後一次(cì)淬火,470～490℃回火。裝車使用後彈簧連(lián)續幾次發生早(zǎo)期失(shī)效。對已失效的彈(dàn)簧進行檢查,發現個别彈簧出現淬火裂紋,經爐氣成(chéng)分分析發現,大約有(yǒu)一個月煤氣成分不當,發熱量偏高,使爐溫過高,個(gè)别彈簧過熱,奧氏體晶粒粗大,水中淬火(huǒ)後出現淬火裂紋,由于水的冷(lěng)卻能力很強,在奧氏體向馬氏體轉變溫度區，彈簧表面與心部溫差增大，因馬氏體相變的先後不同,引起很大的組織應力,因而出現裂(liè)紋。
預防措施(shī)：除嚴格控制好(hǎo)加熱溫度、保溫時間外，控制爐内氣氛(fēn)是很重要(yào)的，定期分析加熱煤氣成分,保證熱(rè)量供應正常；為了減(jiǎn)少變形,杜絕淬火開裂，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、表面處理工藝不當造成的彈簧失效:
1、表面噴丸強化工藝(yì)，噴丸強化設備(bèi)、工藝方法及操作水平對噴丸強化有很大的影響，如果制造者不把噴丸工藝(yì)當作一個重(zhòng)要的強化工藝，充分(fèn)注意噴(pēn)丸工藝的控制，也不進行工藝效果的必要檢測(cè)，那麼噴(pēn)丸處理有可能得不到它應有的強化(huà)效果，甚(shèn)至可能成為彈簧(huáng)發生(shēng)早期失效的誘(yòu)因。
實例：某廠進(jìn)口的彈簧原材料，是經滲氮表(biǎo)面處理的，表面硬度較(jiào)高，經噴丸處理後，導緻表面産生裂(liè)紋(wén)而最終斷裂。所以針對不同的材(cái)料，經不同的工藝(yì)處理後，要選擇的合(hé)适的(de)噴丸工藝。
2、電鍍時彈簧表(biǎo)面(miàn)及(jí)鍍層(céng)中富含的(de)氫氣，如不能得到及時和充分的清除，可導緻彈簧在(zài)工作時(shí)的氫緻滞後斷裂而失效。有時(shí)在氧化處理或磷化(huà)處(chù)理前，為了去除彈簧表面的氧化皮和鏽迹，需(xū)進(jìn)行酸洗。當酸洗過度造成氫大量滲入零件内部，而(ér)又未能及時和充(chōng)分(fèn)的除氫處理時，可(kě)導(dǎo)緻彈簧的氫(qīng)脆斷裂失效。
實例(lì)：直徑0.6mm的70"冷拔碳素彈(dàn)簧鋼絲鍍镉後(hòu)，制成中徑4.0mm扭轉彈簧，在裝配(pèi)時發生斷(duàn)裂。采用能譜分析(EDS)、金相分析和掃(sǎo)描電鏡(SEM)對斷口進行了(le)宏觀和微觀檢測及分析。結果表(biǎo)明：彈簧在繞制(zhì)過程中的殘餘拉(lā)應力以及在鍍前接觸了含氫介質，緻使大量的氫殘留并呈彌散(sàn)分(fèn)布(bù)形态，進而形成沿晶裂紋，在外力作用下，導緻彈簧沿(yán)晶脆性(xìng)斷裂。
五、工(gōng)作條件對彈簧失(shī)效的(de)影響:
1、負載狀況對彈簧失效的影響
通用機械中受沖擊(jī)作用的彈(dàn)簧很多，如噴油泵之柱塞彈簧。這種彈簧常在第二、三圈(quān)處折斷，因為第(dì)二、三圈首先受到沖(chòng)擊載荷且不能足夠快地傳給其它各圈(quān)，頭幾圈承(chéng)受了大部分沖擊，且比其各圈變形大得(dé)多。
設計者應(yīng)考慮到動力效應，盡可能避免一端的(de)交變運動與彈簧的自然頻率之一發生共振。但有(yǒu)時共振現(xiàn)象(xiàng)無法避免，應力幅度會增加5%以上，則要采取相應措施，例如采用較高的自然(rán)頻率，使其不與低次諧波共振。設計合理的(de)凸輪外形,以降低工作階段的節距。減少彈簧(huáng)端部的節距,以改變沖擊時的自然頻(pín)率；對彈簧中部增用摩擦強迫阻尼。
嚴格說來，彈簧工作時，載荷不可(kě)能作用在幾何中心(xīn)線上，會(huì)形(xíng)成偏心載荷，總偏一個距離e，這種負載(zǎi)偏(piān)心要産生附加的應力，而使彈簧安(ān)全應力(lì)顯著減(jiǎn)小(xiǎo)，導緻彈簧過(guò)早失(shī)效。另外彈簧運行之初承(chéng)受過載荷(hé)也非常危險，初期(qī)過載損傷的累積(jī)将降低彈(dàn)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(de)影響
在腐蝕環境中承受交變載荷将(jiāng)發生腐蝕疲勞，由于腐蝕環境能加速疲勞的萌生和(hé)擴展，因而會顯著降低彈簧的疲勞壽命。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(shí)例：對某電廠汽輪(lún)機主(zhǔ)汽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(jí)組織都符合國家标準，導(dǎo)緻其早期(qī)疲勞斷裂的主要原因是(shì)彈簧表面的(de)腐蝕坑（如圖5，圖6）；腐(fǔ)蝕坑是在彈簧(huáng)使用前的放置過程(chéng)中形成的，改善彈簧放置(zhì)環境和縮短放置時間(jiān)可以避免(miǎn)腐蝕坑的産生。
在(zài)彈簧類零件中，如螺旋壓縮彈簧的兩個端圈，拉伸(shēn)彈簧的彎鈎，扭杆的固定端，闆簧(huáng)的片與片之間都(dōu)可能(néng)産生微動磨損（如圖7，圖8）。某公司的離合器減振彈簧在疲(pí)勞試驗中斷裂(liè)，經分析彈簧多處受到外力碰撞摩擦，造成彈簧過渡(dù)圈的接觸帶位置發生(shēng)偏移，使得微振磨損不隻發生在一個平面上，造成不同微振磨損平面的交叠，導緻(zhì)平面相交處的應力集中(zhōng)，導緻斷裂。
預防措施：可采取用抗腐蝕的材(cái)料或者在彈簧表面形成(chéng)一個保護層的表面處理方法(fǎ)來解決。
3、微動磨損及(jí)碰撞磕痕、凹坑(kēng)
預防措施(shī)：除消除振動和改進結構設計外，采用各種表面處(chù)理如離子注入，化學熱處理以及噴丸、滾壓等表面硬化工藝(yì)，提高表面(miàn)的耐(nài)磨和疲勞性能(néng)，可以提高(gāo)其抵抗微動磨損的能力。而降低表面的摩擦系數即通過潤滑方(fāng)式包(bāo)括固體、半固體(tǐ)、及液體也可以減(jiǎn)緩微動損傷的進程。
彈簧因為表面磕痕、凹坑等引起彈簧失效的情況很(hěn)多，在失效件中占很大(dà)比例。如某公司離合器從動盤彈簧由于彈簧表面存在的嚴重(zhòng)磕傷而導緻它(tā)過早疲勞斷裂（如圖9，圖10）。這種表面缺陷(xiàn)可能發(fā)生在彈簧制造過程中，也可能(néng)在使用過程中磕(kē)碰(pèng)産生，制造過程前面已(yǐ)述，而在(zài)使(shǐ)用過程，使用者要檢查(chá)使用環境，避免彈簧受碰撞等。
4、工作溫度的影(yǐng)響
因不同的材料有不同的耐熱性能，溫度升高時，金屬會受(shòu)熱膨脹，尺寸的相應變化(huà)會改(gǎi)變彈簧的各種性能。不僅如此，彈簧的彈性模量E和(hé)切變模量G下降，因此，即使在載荷不變的條件下，彈簧的變形量(liàng)将增大。而且，在應力、溫度和時間的共(gòng)同作用下，變形(xíng)和松弛将是彈簧失效的一個重要模式。
實例(lì)：采用琴鋼絲制(zhì)造的壓縮機閥簧，如長時(shí)間在160℃以上(shàng)工作，由于應力(lì)松弛和高度(dù)的減小，幾乎所有閥簧(huáng)都被(bèi)壓縮在閥座孔(kǒng)内，喪失了閥簧的工(gōng)作性能而失效。
低溫與高溫條件(jiàn)相反，低(dī)溫會使材(cái)料的彈性(xìng)模(mó)量(liàng)、硬(yìng)度及強度增加，但其塑(sù)性和韌性(xìng)下降，特别是當溫度(dù)低于該材料的冷脆(cuì)轉變溫度時，材(cái)料的脆性将非常(cháng)嚴重，例如，在零下(xià)40℃時，在沖擊(jī)載荷條件下工作的彈簧(huáng)往往會碎成幾段。
