彈簧是一般機械不可缺(quē)少(shǎo)的零件，它在工作過程(chéng)中起(qǐ)到緩沖平衡、儲存能量、自動控制、回(huí)位定位、安全保險等作用。彈簧在使用過程中常因各種原因導緻失效而引起機械(xiè)故障。為此，有必(bì)要(yào)讨論引起彈簧失效的原因及預防(fáng)措施。
導緻彈簧失效的主要(yào)因素有材料缺陷，加工(gōng)制造缺陷，熱處理不當，表面(miàn)處理不當，工作環境因素等。通過對近幾年21個彈簧失效案例的(de)彙總分析，彈簧表面缺陷，包括碰撞磕痕、微動磨損、凹坑等造成彈簧失效的(de)比例最(zuì)大，占50%；另外還有裂(liè)紋占有20%；夾雜、疏松13%；脫碳、熱處理、表面強化(huà)分别占3%左右。彈簧失效可由一種原因引(yǐn)起，也可由幾種原因因素綜合(hé)作用所緻。因此，對彈簧的失效分析必須(xū)先對實例的(de)失效現象進行種種調查分析，弄清楚其失效模式，然後找出其失效的原因(yīn)因素，從而提出改進措施。
一、彈簧原材料引起的(de)彈簧失效:
1、由于鋼的(de)冶煉方法不同，會使鋼(gāng)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(yǐng)響材料的力學性能，容易早期疲勞(láo)失效。
實例：某公司一件型号為SY6480（Ф22mm）的車輛懸架用扭(niǔ)杆彈簧，在新車出(chū)庫時(shí)便發生斷裂，分析認為(wéi)斷裂起源于彈簧亞表(biǎo)面存在的(de)一個粗大脆性(xìng)夾雜(zá)物（如圖1，圖2(圖1的放大圖)）。
預防措(cuò)施：彈簧材料必須有優良的冶(yě)金質(zhì)量，如嚴格控制化學成分、高純淨度，較低夾雜物含量，同(tóng)時還(hái)要求材料(liào)成分和組織的均勻性和穩定性。為了(le)降低鋼中有害氣體和(hé)雜質元素，提高(gāo)鋼的純淨度(dù)，應采用真空冶煉及電渣重熔等精(jīng)煉(liàn)技術。
2、軋制過程(chéng)可能引起(qǐ)的缺陷(xiàn)：殘(cán)餘縮管及中心裂紋；折疊缺陷（如圖3）；線狀缺陷、劃痕(hén)；表面鏽(xiù)蝕坑；過燒、桔皮狀表面、麻坑(kēng)；這些都可能導緻彈簧失效。所以鋼廠應(yīng)盡量避免和(hé)消除軋制(zhì)過程中(zhōng)産生的缺陷，彈簧廠應加強對彈簧(huáng)原材料質量檢(jiǎn)查，盡量采用表面質量好的材料。
冷成(chéng)形螺旋彈(dàn)簧在卷(juàn)簧時由于卷簧過程中工藝裝備不良或(huò)調整(zhěng)操作不當會産生彈(dàn)簧的表面缺陷。如自動卷(juàn)簧機上切斷彈(dàn)簧(huáng)時切刀就有可能插傷鄰近彈簧圈鋼絲的内表(biǎo)面(miàn)。熱成形彈簧由于熱成形加熱溫(wēn)度過高彈簧表面産生桔皮狀缺陷，使彈簧疲勞壽命大(dà)幅度降低。或者，熱成形時，由于加熱溫度過低，鋼的塑性不夠(gòu)，熱成形過程中彈簧表面應(yīng)力超過材料(liào)強度(dù)極限會産(chǎn)生裂(liè)紋[1]。所以在制造過程中也要加強對彈簧(huáng)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(dàn)簧失效:
冷成形螺(luó)旋彈簧在卷簧時由于(yú)卷簧(huáng)過程中工藝裝備不良(liáng)或調(diào)整操作不當會産生(shēng)彈簧的表面缺陷。如(rú)自動卷簧機上切斷彈簧(huáng)時切(qiē)刀就有可(kě)能插傷鄰近彈簧圈鋼絲的内表面。熱成形彈簧由(yóu)于熱成形(xíng)加熱溫度過高(gāo)彈簧表面産生桔皮狀缺陷，使彈簧疲勞壽(shòu)命大幅度降低。或者，熱成形時，由于加熱溫度過低，鋼的塑性不(bú)夠，熱成形過程中彈簧表面應力超過材(cái)料強度極(jí)限會産生裂紋。所以在制造過程中也要加強對彈簧表面質量檢查，盡量(liàng)避免表面缺陷的(de)産生。
三、熱處理工藝缺陷造成(chéng)的彈(dàn)簧失效:
彈簧在加熱或冷(lěng)卻期間表面和中心溫度分(fèn)布不均勻會引起熱應力(lì)，相變的過程(chéng)會造成組織應力,其(qí)總值超過材料的強度極限時(shí)會導緻開裂。這種(zhǒng)缺陷多(duō)見(jiàn)于尺寸較大的在(zài)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(cái)料的缺陷，如鋼中的殘餘縮孔、白點、冷加工刀痕、冷拉和熱軋過程中的劃痕、折(shé)疊等缺陷，都會造成淬火時的應力集中(zhōng)而開裂。如圖4所示即(jí)為某公司彈簧由于最初的表面上的短淺折疊裂紋，在淬火熱處理時，該裂紋沿徑向擴展(zhǎn)至3.9mm，在做疲勞試驗時，它首先擴展，直至達到臨界尺(chǐ)寸而引起(qǐ)彈簧的瞬時破斷。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(tiě)素體或遊離鐵素(sù)體；碳(tàn)化物(wù)偏析；彈簧的熱處理變(biàn)形；表面氧化與脫碳都會造成彈簧失效(xiào)。
實例:某廠60Si2MnA熱成型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制成型,卷後一次淬火,470～490℃回火。裝車使(shǐ)用後彈簧連續幾次發(fā)生早期(qī)失效。對已失效的彈簧進行檢查,發(fā)現個别彈簧出現淬火裂(liè)紋,經爐氣成分分析發現,大(dà)約有一個月煤氣(qì)成分不當,發熱量偏高,使爐溫過高,個别彈簧過熱,奧氏體晶粒粗大,水中淬火後出現淬火裂紋,由于(yú)水的(de)冷卻能(néng)力很強,在奧氏體向馬(mǎ)氏體轉變溫度區，彈簧(huáng)表面與心部(bù)溫差增大，因(yīn)馬氏體相變的先後不同,引起很大的組織應力,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，控制爐内氣氛是很重(zhòng)要的，定期(qī)分析加(jiā)熱(rè)煤氣成分,保證熱量供應正常；為了減少(shǎo)變形,杜絕(jué)淬火開裂，除了尺(chǐ)寸過大的熱(rè)成形彈簧(huáng)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(miàn)噴丸強化工藝，噴丸(wán)強化設備、工(gōng)藝方法及操作水平對(duì)噴丸強化有很(hěn)大的影(yǐng)響，如果制造者不把噴丸工(gōng)藝當作一個重要(yào)的強(qiáng)化(huà)工藝，充(chōng)分注意噴(pēn)丸工藝的(de)控制，也不進行工藝效果的必要檢(jiǎn)測，那麼噴丸處理有可能得不到它(tā)應有的強化效果(guǒ)，甚(shèn)至可能成為彈(dàn)簧發生早期失效的誘因。
實例：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，經不同的工(gōng)藝處(chù)理後，要選擇(zé)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，如不能得到及時和充分的清除，可導緻彈簧在工作(zuò)時(shí)的氫緻(zhì)滞後斷裂而失效。有時在氧化處理或磷化處理前(qián)，為(wéi)了去除彈簧表面(miàn)的氧化皮和鏽迹，需進行酸洗。當酸(suān)洗過度造成氫大量滲入(rù)零件内部(bù)，而又未能及時和充分的除氫(qīng)處理時，可導緻彈簧(huáng)的氫脆斷裂失效。
實(shí)例(lì)：直徑0.6mm的70"冷拔碳素彈簧(huáng)鋼絲鍍镉後，制成中徑4.0mm扭轉彈(dàn)簧(huáng)，在裝配時發生斷裂。采用能譜分析(EDS)、金相分(fèn)析和(hé)掃描電鏡(SEM)對斷口(kǒu)進行了宏觀和微觀檢測及分析。結果表明：彈(dàn)簧在繞制過(guò)程中的殘(cán)餘拉應力(lì)以及在鍍前接觸了(le)含氫介質，緻使大量的氫殘留并呈彌散分布形态，進而形成(chéng)沿晶裂紋，在外力(lì)作用下(xià)，導緻彈簧沿晶脆性斷裂。
五(wǔ)、工作條件對彈(dàn)簧(huáng)失效的影響:
1、負載狀況對彈簧失(shī)效的影響
通用機械(xiè)中受沖擊作用的(de)彈簧很多，如噴油泵之柱塞彈簧。這種彈簧常在第二(èr)、三圈處(chù)折斷，因為第二、三圈首先受(shòu)到沖擊載荷且不能足夠快地傳(chuán)給其它各圈，頭幾圈(quān)承受了大部分沖擊，且比其各圈變形大得多。
設計者應考慮到動力效應，盡(jìn)可能避免一端的交變運動與彈簧(huáng)的自然頻率(lǜ)之一發生共振。但(dàn)有時共(gòng)振現象無(wú)法避免，應力(lì)幅度會增加5%以上，則要采取相(xiàng)應措施，例如采用較高的自然頻率，使(shǐ)其(qí)不與低次諧波共振。設計合理的凸輪外(wài)形,以降低工作階段(duàn)的節距。減(jiǎn)少彈簧端部的節(jiē)距,以改變沖擊時的自(zì)然頻率；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(bú)可能作用在幾何中心線上，會形成偏心載荷，總偏一個距離e，這種(zhǒng)負載偏心要産(chǎn)生附加的應力，而使彈簧安全應力顯著減小，導緻彈簧過早(zǎo)失效。另外彈簧運(yùn)行之初承受過載(zǎi)荷也非常危險，初期過載損傷的累(lèi)積将降低彈簧疲勞(láo)極限而導緻早期疲(pí)勞斷裂。
2、環境因素(sù)對彈簧失效(xiào)的影響
在腐蝕環境中承受交變(biàn)載(zǎi)荷将發生腐蝕疲勞，由于腐蝕(shí)環境(jìng)能加速疲勞的萌生和擴展，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%。
實例：對(duì)某電廠汽輪機主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(liào)化學成分及組織(zhī)都符合國家标準，導緻其早期疲勞(láo)斷裂的主要(yào)原因是彈簧表面的腐蝕(shí)坑（如圖5，圖6）；腐蝕坑是在(zài)彈簧使用(yòng)前的放置過(guò)程中(zhōng)形成的，改善彈簧放置環境(jìng)和縮短放置(zhì)時間可以避免腐蝕坑的産生。
在彈簧類零件中，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，闆簧的片與片(piàn)之間都可能産生微動磨損（如圖7，圖8）。某公司的離合器減振彈簧在疲勞試驗中斷裂，經(jīng)分析彈簧(huáng)多處受到外力(lì)碰撞(zhuàng)摩擦，造(zào)成彈簧過(guò)渡(dù)圈的接觸(chù)帶位置發生偏移，使得微振磨損不隻發生在一個平面上，造(zào)成不同微振磨損平面的交叠(dié)，導緻平面相交處的應力(lì)集中，導緻斷裂。
預防(fáng)措施：可采取用抗腐蝕的材料或者在彈簧表面形成一(yī)個保護層的表面處理(lǐ)方法來解決。
3、微動磨損及碰撞磕痕、凹坑
預防措施：除消(xiāo)除振動和改進結構設計外(wài)，采用各種表面處理(lǐ)如離(lí)子注入，化學熱處理以及噴丸、滾壓等表(biǎo)面硬化工藝，提(tí)高(gāo)表面的耐磨(mó)和疲勞性能，可以提高其抵抗微動(dòng)磨損的能力。而降低表面的摩擦系數即通過潤滑方式包括固體、半固(gù)體、及液體也可以減緩微動損傷的進程。
彈簧(huáng)因為表(biǎo)面磕痕、凹坑等引(yǐn)起彈簧失效的情況很多(duō)，在失效件中占很大比例(lì)。如某公司離合器從動盤彈簧由于彈(dàn)簧表面存在的(de)嚴重磕(kē)傷而導緻它過早疲勞斷裂（如圖9，圖10）。這種(zhǒng)表面缺陷可能發生在彈(dàn)簧制造過(guò)程中，也可能在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(zhě)要檢查使用環(huán)境，避(bì)免彈簧受碰(pèng)撞等。
4、工作溫度的影響
因不同的材料有不同的耐熱(rè)性能，溫度升高時，金屬會(huì)受熱膨脹(zhàng)，尺寸(cùn)的相(xiàng)應變化(huà)會改變彈簧的各(gè)種性(xìng)能。不僅如此，彈簧的彈性模量(liàng)E和切變模量G下(xià)降，因此，即使在載荷(hé)不變的條(tiáo)件下，彈(dàn)簧的變形量将增(zēng)大。而且，在應力、溫度(dù)和時間的共同作用下，變形和松弛将是彈簧失效的一個重(zhòng)要模式(shì)。
實例：采用琴鋼絲制造(zào)的壓縮機閥簧，如長時間在160℃以上工作(zuò)，由于應力松弛和高度的減(jiǎn)小，幾(jǐ)乎所有閥簧(huáng)都(dōu)被壓縮在閥座孔内，喪失了閥簧(huáng)的(de)工作性能而失效。
低(dī)溫與高溫(wēn)條件相反，低溫會使材料的彈性模量、硬度及(jí)強度增加，但其塑性和韌性下降，特别是當溫度低于該(gāi)材料的(de)冷脆轉變溫度時(shí)，材料的脆性将非常嚴重，例如，在(zài)零(líng)下40℃時(shí)，在沖擊載荷條(tiáo)件下工作的彈簧往往會碎成(chéng)幾段。
