彈簧是一般機械不可缺少的零件，它在工作過程中起(qǐ)到緩沖平衡、儲存能量、自動控制、回位定位、安全保險等作用。彈簧在使用過(guò)程中常因各種(zhǒng)原因導緻失效而(ér)引起機械故障。為此(cǐ)，有必要讨論引起彈簧失效的原因及預防措(cuò)施。
導緻彈簧失效的主要因素有(yǒu)材(cái)料(liào)缺陷，加工制造缺陷，熱處理不當，表面處理不當，工(gōng)作環境因素等。通(tōng)過對近幾(jǐ)年21個彈簧失效案例的彙(huì)總分析，彈簧表面缺陷，包括碰撞磕(kē)痕、微動磨損(sǔn)、凹坑等(děng)造成彈簧失效的比例最大，占50%；另外還(hái)有裂紋占有(yǒu)20%；夾雜、疏松(sōng)13%；脫碳、熱處理、表面強化分别占3%左右。彈簧(huáng)失效可由一種原因引起，也可由幾種原因因素綜合作用所緻。因此，對彈簧的失(shī)效分析必須先(xiān)對實例的失效現象進行種種調查分析，弄清(qīng)楚其失效模式，然後找出其失效的原因因素，從而提出改進措施。
一、彈簧原材料引起的彈簧失效:
1、由于鋼的(de)冶煉方法不(bú)同，會使鋼中存(cún)在不同程度造成(chéng)彈簧早(zǎo)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(lì)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)懸架用扭杆彈簧，在新車出庫時便發生斷裂，分析認為斷裂起源于彈(dàn)簧亞表面存(cún)在的一(yī)個粗大脆(cuì)性夾(jiá)雜物（如圖1，圖2(圖(tú)1的放大(dà)圖)）。
預防措施(shī)：彈簧材料(liào)必須有優良的冶金質(zhì)量(liàng)，如嚴格控制化學成分、高(gāo)純淨度(dù)，較(jiào)低夾雜物(wù)含量，同時還要求材料成分和組織的均勻性和穩定性。為了降低鋼中有害氣體和雜(zá)質元素，提高鋼的純淨度，應采用真(zhēn)空冶煉及(jí)電渣重熔等精煉(liàn)技術。
2、軋(zhá)制過程可能引起的缺陷：殘(cán)餘縮管及中心裂(liè)紋；折疊缺陷（如圖3）；線狀缺陷、劃(huà)痕；表面鏽蝕坑；過燒、桔皮狀表面、麻(má)坑；這些都可能導緻彈簧失效。所以鋼廠應盡量避免和消除軋制(zhì)過程中産生的缺陷，彈簧廠應加強對彈簧原(yuán)材料(liào)質量檢查，盡(jìn)量采用表面質量好的材料。
冷成形螺旋彈簧在卷(juàn)簧時由于卷簧過(guò)程中工藝裝備不良(liáng)或調整操作不當會産生彈簧的表(biǎo)面缺陷。如自動卷簧機上(shàng)切斷彈簧時切刀就有可能插傷鄰近彈簧圈鋼絲的内表面。熱(rè)成(chéng)形彈簧由于熱(rè)成形加熱溫度過高彈簧表面(miàn)産生(shēng)桔皮狀缺陷，使彈(dàn)簧疲勞壽命大幅度降低。或者，熱成形時，由于(yú)加熱溫度過低，鋼的塑性不夠，熱成形過程中彈簧表面應力超過材(cái)料(liào)強度極限會産生(shēng)裂(liè)紋[1]。所以(yǐ)在制(zhì)造過程中(zhōng)也要加強對彈簧表面質量檢(jiǎn)查，盡量避免表面缺陷的産生。
二、制造(zào)過(guò)程中引起的彈簧失(shī)效:
冷(lěng)成形螺旋彈簧在卷簧時由于卷簧過程中工藝裝備不良或調(diào)整操作不當會産(chǎn)生彈簧的表面缺陷。如自動卷簧機(jī)上切斷彈簧時(shí)切刀就有可能插傷鄰近彈簧圈鋼絲(sī)的内表面。熱成形彈簧由于熱成形加熱溫度過高彈(dàn)簧表面産生桔(jú)皮(pí)狀缺陷，使彈簧疲勞壽命大幅度降低。或者(zhě)，熱成形時，由于加(jiā)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限會産生裂紋。所以在(zài)制造過程中也要加強對彈簧表面質量檢查，盡量避(bì)免表面缺陷的産生。
三、熱處(chù)理工藝缺陷造成的彈簧失效(xiào):
彈簧在加熱(rè)或冷卻期間表面(miàn)和中心溫度分布不均勻會引起熱(rè)應力，相變的過程(chéng)會造成組織應力,其總值超過材料的(de)強度極限時會導緻開裂。這種(zhǒng)缺陷多見于尺寸較大的在水中淬火的彈簧,其裂(liè)紋産生後無法修複隻(zhī)能報廢。另(lìng)外原材(cái)料的缺(quē)陷，如鋼中的殘餘縮孔、白點(diǎn)、冷加工刀痕、冷拉和熱軋過程中的劃痕、折疊(dié)等缺陷，都會造成淬火時的應力集中而開(kāi)裂。如圖4所示即為某公司彈(dàn)簧由于最初的表面上的(de)短淺折疊(dié)裂紋(wén)，在淬火熱處理時，該裂紋沿(yán)徑向擴展至3.9mm，在做疲勞試驗時，它(tā)首先擴展，直至達到(dào)臨界尺寸而引起彈簧的瞬時(shí)破斷。熱處理不當産生的非正常組織如粗大的淬(cuì)火馬氏體；先共析鐵素體或遊離鐵(tiě)素體；碳化物偏析(xī)；彈簧的(de)熱處理變(biàn)形；表面氧化與脫碳都會造成彈簧失效。
實例(lì):某廠60Si2MnA熱成型彈(dàn)簧,d=25，D=120，n=5，在(zài)溫度(dù)900～950℃卷制(zhì)成型,卷後一次淬火,470～490℃回火。裝車使用(yòng)後彈簧連續幾次發(fā)生早期失(shī)效。對已失(shī)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,大約有一個月(yuè)煤氣成分不(bú)當,發熱量偏高,使爐(lú)溫過高,個别彈簧過熱(rè),奧氏體晶粒粗大,水中(zhōng)淬火後出現淬火裂(liè)紋,由(yóu)于水的(de)冷卻能力很(hěn)強,在(zài)奧氏體向馬氏體轉變溫(wēn)度區，彈簧表(biǎo)面(miàn)與心部溫差增大，因馬氏體相變的先後不同(tóng),引起很大的組(zǔ)織應力,因而出現裂紋。
預防措施：除嚴格控制好加熱溫度、保溫時間外，控制(zhì)爐(lú)内氣氛是很重要的，定期分析加熱煤氣成分,保證熱量供應正常；為了減少變形,杜絕淬(cuì)火開裂，除了尺寸過(guò)大的熱成形彈(dàn)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(qiáng)化(huà)工藝，噴丸強化設備(bèi)、工藝方(fāng)法及操作水平對噴丸(wán)強化有很大的影響，如果制造(zào)者不把噴丸工(gōng)藝當作一個重(zhòng)要的強化工藝，充分(fèn)注意噴丸工藝的控制，也不進行工(gōng)藝效果的必要(yào)檢測，那麼噴丸處理有可(kě)能得不到它應(yīng)有的強化(huà)效果，甚至可能成為彈簧發生早期失效的誘(yòu)因。
實例：某廠進(jìn)口的彈簧原材料，是經滲氮表面處理的(de)，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(duàn)裂。所以針對不同的材(cái)料，經不同的工藝(yì)處理後，要選擇的合适的噴丸工藝。
2、電鍍時彈簧表面及鍍層中富含的氫氣，如不能得到(dào)及時(shí)和充分(fèn)的清(qīng)除，可導緻彈簧在工作時的氫緻滞後斷裂而失效。有時在氧化處理或磷化(huà)處理前，為了去除彈簧表面的氧化皮(pí)和(hé)鏽迹，需進行酸洗。當酸洗過度(dù)造成氫大量滲入零件内(nèi)部，而(ér)又未(wèi)能及時和充分的除氫處理時(shí)，可導(dǎo)緻彈簧的氫脆斷裂(liè)失效。
實例(lì)：直徑0.6mm的70"冷拔碳素彈簧鋼(gāng)絲鍍镉後，制成中徑(jìng)4.0mm扭轉(zhuǎn)彈簧，在裝配時發生(shēng)斷裂。采用能譜分析(EDS)、金相分析和掃(sǎo)描電鏡(SEM)對斷口進行了宏(hóng)觀和微觀(guān)檢測及分析。結果表(biǎo)明：彈簧在(zài)繞制過程中的殘餘拉應力以(yǐ)及在鍍前接觸了含氫介質，緻使大量的氫殘留并(bìng)呈彌散分布(bù)形态，進而形成沿晶裂紋，在外力作用下，導緻彈簧沿晶脆性斷裂。
五、工作條件對彈簧失(shī)效的影響:
1、負載狀況對彈簧失效的影(yǐng)響
通用(yòng)機械中(zhōng)受沖擊作用的彈(dàn)簧很多，如噴油泵之柱塞彈簧。這種彈簧常在第二、三圈處折斷，因為第二、三圈首先受到沖擊載荷且不能足夠(gòu)快地傳給其它各圈，頭幾圈承受了大部分沖(chòng)擊，且比其各圈變形大(dà)得多。
設計者應考(kǎo)慮到動力效應，盡可能避免一端(duān)的交變運動與彈簧的自然頻率之一發生共振。但有時共振現(xiàn)象無法避免，應力幅度會增加(jiā)5%以上，則要采取(qǔ)相應措施，例如采用較高的自然頻率，使其不與低次諧波共振。設計合理的凸輪外形,以降低工作階段的節距。減少彈簧(huáng)端部的節距,以(yǐ)改變沖擊時的自然頻率；對彈簧中部增用摩擦強迫阻尼。
嚴(yán)格說來，彈簧工作時，載荷不可(kě)能作用在幾何中心線上，會(huì)形成偏(piān)心載荷，總(zǒng)偏一個(gè)距離e，這種負載偏(piān)心要産生附加的應力，而使彈簧安全應(yīng)力顯著減小，導緻彈簧過(guò)早失效。另外彈(dàn)簧運行之初承(chéng)受過(guò)載荷也非常危險，初期過載損傷(shāng)的累積(jī)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(dàn)簧失效的(de)影響
在腐蝕(shí)環(huán)境中承受交變載荷(hé)将(jiāng)發生腐蝕疲勞(láo)，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(pí)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：對某電廠汽輪機主(zhǔ)汽門操縱座彈簧的斷裂(liè)失效進行了分析。結果表明：彈簧材料化(huà)學成分及(jí)組織都符合國家标(biāo)準，導(dǎo)緻其早期疲勞斷(duàn)裂的主要原因是彈簧表面的腐蝕坑（如圖5，圖6）；腐蝕坑(kēng)是在彈簧(huáng)使用前的放置(zhì)過程(chéng)中形成的，改善彈簧放置環境和縮短放(fàng)置時間(jiān)可(kě)以避(bì)免腐蝕坑的産生。
在(zài)彈簧類零件中，如螺(luó)旋壓縮彈簧的(de)兩個端圈，拉伸彈簧的彎鈎，扭杆的固定端，闆簧的(de)片與片之間都(dōu)可能(néng)産生(shēng)微動磨損（如圖7，圖8）。某公(gōng)司的離合器減振彈簧在疲(pí)勞試驗中斷裂，經分析彈簧多處受到外力碰撞摩(mó)擦，造成彈(dàn)簧過渡圈的接觸帶位置發生偏移，使得微振(zhèn)磨損不隻發生在一個(gè)平面上，造成(chéng)不(bú)同微振(zhèn)磨損平面的交叠，導緻平面相交處的應(yīng)力集中(zhōng)，導緻斷裂。
預防措施(shī)：可采取用抗腐蝕的材(cái)料或者在彈簧表面形成一個保護層的(de)表面處理方法來解決。
3、微動磨損及(jí)碰撞磕痕、凹坑(kēng)
預防(fáng)措施：除消除振動和改進結(jié)構(gòu)設計外，采用各種表面處(chù)理如離子注入，化學熱處理(lǐ)以及噴丸、滾壓等(děng)表面硬化(huà)工藝，提高表面的耐(nài)磨和疲勞性能，可以提高其抵抗微動磨(mó)損的能力。而降(jiàng)低(dī)表面(miàn)的摩擦系數即通過潤滑方式包括固體、半固體(tǐ)、及液(yè)體也可以減緩微動損傷的進(jìn)程。
彈簧因(yīn)為(wéi)表面磕痕、凹坑等引起彈簧失效的情(qíng)況(kuàng)很(hěn)多，在失效件中占很大比例。如某公司離合器從動(dòng)盤彈簧由于彈簧表面存(cún)在的嚴(yán)重磕(kē)傷而(ér)導緻它過早疲勞斷裂(liè)（如圖9，圖10）。這種表面缺陷(xiàn)可能發生在彈簧(huáng)制造(zào)過程(chéng)中，也可能在使用過程中(zhōng)磕碰産生，制造過程前面已述，而在使用過程，使用者(zhě)要檢查使用環境，避免彈簧受碰撞等。
4、工作溫度的影響
因不同的材料有不(bú)同的耐熱性(xìng)能，溫(wēn)度升高時，金屬會受熱膨脹，尺寸的相應變化會改變彈簧的各種性能。不僅如(rú)此(cǐ)，彈簧的彈性模量E和切變模量G下降，因(yīn)此，即使在載荷不變的(de)條件下，彈簧的變形(xíng)量(liàng)将增大(dà)。而且，在應力、溫度和時間的共同作用下，變形和松弛将是彈簧失效的一個重要模式。
實例：采用琴鋼絲制造的壓縮機閥簧，如長時間在160℃以上(shàng)工作，由于(yú)應力松弛和高度的減小，幾乎所有閥簧都被壓縮在閥座孔内，喪失(shī)了閥簧的工作性能而失效。
低溫與高溫條件(jiàn)相反，低溫會使材(cái)料的彈性模量、硬度(dù)及強度增加，但其塑(sù)性和韌性(xìng)下降，特别是當溫度低于該材料的冷脆轉變溫度時，材料的脆性将非常(cháng)嚴重，例如，在零下40℃時，在沖擊載荷條件下工作的(de)彈簧往往會碎成幾(jǐ)段。
