彈簧的失(shī)效分析與預(yù)防技術參考(kao)

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導緻彈簧(huang)失效的主要(yào)因素有材料(liào)缺陷，加工制(zhì)造缺🔞陷，熱處(chu)理不當，表面(miàn)處理不當，工(gong)作環境因素(sù)等。通過對近(jin)幾年21個彈簧(huang)失💚效案例的(de)彙總分析，彈(dan)簧表面缺陷(xian)，包括碰撞磕(kē)痕、微動磨損(sun)、凹坑等造成(chéng)彈👈簧失效的(de)比例最大，占(zhàn)50%；另外還有裂(liè)紋占有20%；夾雜(za)、疏松13%；脫碳、熱(re)處理、表面強(qiang)化分别占3%左(zuo)右。彈簧失效(xiào)可由一種原(yuan)因引起，也可(ke)由幾種原因(yin)因素綜合作(zuo)用所緻。因此(ci)，對彈簧的失(shī)效分析必須(xū)先對實例的(de)失效現象進(jin)行種種調查(chá)分析，弄清楚(chǔ)其失效模式(shì)，然⛹🏻‍♀️後找出其(qi)🌂失效的原因(yin)因素，從而提(ti)出改進措施(shi)。

一、彈簧原材(cai)料引起的彈(dàn)簧失效:

1、由于(yu)鋼的冶煉方(fāng)法不同，會使(shi)鋼中存在不(bú)同程度造成(chéng)彈簧早期疲(pi)勞失效的夾(jia)雜物，夾雜物(wu)過量或💋尺寸(cùn)💔過大，均勻👅度(du)不好都會影(yǐng)響材料的力(li)學性能，容易(yì)早期疲勞失(shi)效。

實例：某公(gong)司一件型号(hào)為SY6480（Ф22mm）的車輛懸(xuan)架用扭杆彈(dàn)簧，在🌏新車☀️出(chu)🏒庫🔞時便發生(shēng)斷裂，分析認(ren)為斷裂起源(yuan)于彈簧亞表(biǎo)面存在的一(yī)個粗大脆性(xing)夾雜物（如圖(tú)1，圖2(圖1的放♌大(da)圖)）。

2、軋制(zhi)過程可能引(yǐn)起的缺陷：殘(cán)餘縮管及中(zhōng)心裂紋；折疊(die)㊙️缺陷（如圖3）；線(xiàn)狀缺陷、劃痕(hen)；表面鏽蝕坑(keng)；過燒、桔✌️皮狀(zhuàng)表面、麻坑；這(zhe)些都可🐆能導(dao)緻彈簧失效(xiao)。所以鋼廠應(yīng)盡量避免和(he)消除軋制過(guò)程中産生的(de)缺陷，彈簧廠(chang)應加強對彈(dàn)簧原材料質(zhì)量檢查，盡量(liàng)采用表♋面質(zhi)量好的材料(liào)。

冷成形螺旋(xuan)彈簧在卷簧(huáng)時由于卷簧(huang)過程中工藝(yì)🤞裝備不良或(huò)調整操作不(bú)當會産生彈(dan)簧的表面缺(que)陷。如🏒自動卷(juan)簧機上切斷(duan)彈簧時切刀(dāo)就有可能插(chā)傷鄰近彈簧(huang)圈☎️鋼絲的内(nei)表面。熱成形(xíng)彈簧由于熱(re)☔成形加熱溫(wēn)度過高彈簧(huang)表面産生桔(jú)皮狀缺陷，使(shi)彈簧疲勞壽(shòu)命大幅度降(jiang)低。或者，熱成(cheng)🔱形時，由于加(jia)熱溫度過低(dī)💘，鋼的塑性不(bú)夠，熱成形過(guo)程中彈簧表(biǎo)面應力超過(guò)材料強度極(ji)限會産生裂(liè)紋[1]。所以在制(zhi)造過程中也(ye)要加強🛀🏻對彈(dan)簧表面質量(liàng)檢查，盡量避(bì)免表面缺陷(xian)的産生。

二、制(zhì)造過程中引(yǐn)起的彈簧失(shī)效:

冷成形螺(luo)旋彈簧在卷(juan)簧時由于卷(juan)簧過程中工(gōng)藝裝♍備不良(liáng)或💋調整操作(zuò)不當會産生(sheng)彈簧的表面(mian)缺陷。如🎯自動(dòng)卷簧💚機上切(qiē)斷彈簧時切(qiē)刀就有可能(neng)插傷鄰近🈲彈(dàn)簧圈鋼絲的(de)内表面。熱成(cheng)形彈簧由于(yu)熱成形加熱(rè)溫度過高🚩彈(dan)簧表面産生(shēng)桔皮狀缺陷(xiàn)，使彈簧疲勞(lao)壽命大幅度(du)降☀️低。或者，熱(re)成形時，由于(yu)加熱溫度過(guò)低，鋼的塑性(xing)不夠，熱成形(xing)過程中彈㊙️簧(huang)表面應力超(chāo)過材料強度(du)極限會産生(shēng)✂️裂紋。所以在(zai)制造💃過程中(zhōng)也要加強🔅對(dui)彈簧表面質(zhi)量檢查，盡量(liang)避🎯免表面缺(que)陷的産生。

三(sān)、熱處理工藝(yì)缺陷造成的(de)彈簧失效:

彈(dàn)簧在加熱或(huo)冷卻期間表(biǎo)面和中心溫(wen)度分布不均(jun1)勻會引起🍉熱(re)應力，相變的(de)過程會造成(cheng)組織應力,其(qi)總值超過材(cai)🈲料的強度極(jí)限時會導緻(zhì)開裂。這種缺(que)陷多見于尺(chǐ)寸較大的在(zài)水中淬火🙇🏻的(de)彈簧,其裂紋(wén)産生後無法(fa)修複隻能報(bao)廢。另外原材(cái)料的缺陷，如(ru)鋼中的殘餘(yu)縮孔、白點、冷(leng)加工刀痕❤️、冷(leng)拉和熱軋過(guo)程中的劃痕(hén)、折疊等缺陷(xian)，都會造成淬(cui)火時的應💔力(lì)集中而開裂(lie)。如圖4所示即(ji)為某公🚩司彈(dan)簧由于最🐆初(chu)的表面上的(de)短淺折疊裂(liè)紋，在淬火🈲熱(rè)處理時，該裂(liè)紋沿徑向擴(kuò)展至3.9mm，在做疲(pí)勞🔆試驗時，它(ta)首先擴展，直(zhi)至達到臨界(jie)尺寸而引起(qi)彈簧的瞬時(shí)破斷。熱處理(lǐ)不當産生的(de)非正常組織(zhi)如粗大的淬(cuì)火馬氏體📞；先(xian)共📐析鐵素體(tǐ)或遊離鐵素(su)體👨‍❤️‍👨；碳🌂化物偏(piān)析；彈簧的熱(rè)處理變形；表(biao)面氧化與脫(tuō)碳都❗會造成(cheng)彈簧失效。

實(shí)例:某廠60Si2MnA熱成(chéng)型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫(wen)度900～950℃卷制成型(xing),卷後一次淬(cuì)火,470～490℃回火。裝車(che)使用後彈簧(huáng)連續幾次發(fa)生早期失效(xiào)。對已失效的(de)彈簧🔴進行檢(jiǎn)查,發現個别(bie)彈簧出現✔️淬(cuì)火裂紋,經爐(lú)氣成分分析(xi)發現,大約有(you)一個月煤🙇🏻氣(qì)成分不當,發(fā)熱量偏高,使(shǐ)爐溫過高,個(ge)别彈簧過熱(rè),奧氏體晶粒(lì)粗大,水中淬(cui)火後出現淬(cui)火裂紋,由于(yu)水的冷卻能(neng)力很強,在奧(ào)氏體向馬氏(shi)體轉🌈變溫度(du)區，彈簧表面(miàn)與心部溫差(chà)增大，因馬氏(shì)體相變的先(xiān)後不同,引起(qǐ)很大的組織(zhī)應力,因而出(chū)現裂紋。

預防(fáng)措施：除嚴格(gé)控制好加熱(rè)溫度、保溫時(shi)間外，控制爐(lú)内📐氣氛是很(hen)重要的，定期(qī)分析加熱煤(méi)氣成分,保證(zhèng)熱量供應正(zhèng)常；為了減少(shǎo)變形,杜絕淬(cui)火開裂♈，除了(le)尺🏃寸過大的(de)熱成形彈簧(huang)外,一般熱成(chéng)形彈簧采用(yong)在油中冷卻(què)。

四、表面處理(li)工藝不當造(zao)成的彈簧失(shi)效:

1、表面噴丸(wan)強化工藝，噴(pen)丸強化設備(bei)、工藝方法及(jí)操♊作水🆚平對(duì)噴丸強化有(you)很大的影響(xiǎng)，如果制造者(zhě)不☀️把噴丸工(gōng)藝當作一個(ge)重要的強化(huà)工藝，充分注(zhù)意噴丸工藝(yì)的控制，也不(bu)💛進行工🤞藝效(xiao)果的必要檢(jian)測，那麼噴丸(wan)處理有可能(néng)得不到它應(ying)有的強化效(xiao)果㊙️，甚至可能(neng)成為彈簧發(fa)生早期失效(xiào)的誘因。

實例(li)：某廠進口的(de)彈簧原材料(liào)，是經滲氮表(biǎo)面處理的✂️，表(biao)面硬度較高(gāo)，經噴丸處理(lǐ)後，導緻表面(mian)産生裂紋而(ér)🙇‍♀️最終斷裂。所(suǒ)以針對不同(tong)的材料，經不(bu)同的工藝處(chù)理後，要選擇(ze)的合适的噴(pēn)丸工藝。

2、電鍍(du)時彈簧表面(mian)及鍍層中富(fu)含的氫氣，如(rú)不能得到及(ji)時🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和㊙️充分的(de)清除，可導緻(zhì)彈簧在工作(zuò)時的氫緻滞(zhi)後斷裂而失(shī)效。有時在氧(yang)化處理或磷(lín)化處理前，為(wéi)了去除彈簧(huáng)表面的氧化(hua)皮和鏽迹，需(xu)進行酸洗。當(dang)酸洗過度造(zao)成㊙️氫大量滲(shen)入零件内部(bù)，而又未能及(ji)時和充分的(de)除氫處💛理時(shi)，可導緻彈簧(huang)的氫脆斷裂(lie)失效。

實例：直(zhi)徑0.6mm的70"冷拔碳(tàn)素彈簧鋼絲(sī)鍍镉後，制成(chéng)中徑👅4.0mm扭轉彈(dàn)簧，在裝配時(shi)發生斷裂。采(cǎi)用能譜分析(xī)(EDS)、金相分析和(he)掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進行了(le)宏觀和微觀(guan)檢測🐕及分析(xi)🔆。結果表明：彈(dan)簧在繞制過(guò)程中🚶‍♀️的殘餘(yu)拉應力以及(ji)在鍍前接觸(chù)了含氫介質(zhi)，緻使大量的(de)氫殘留并呈(cheng)彌散🌈分布形(xíng)态，進而形成(cheng)沿晶裂紋，在(zài)外力🚶‍♀️作用下(xia)，導緻彈簧沿(yán)晶脆性斷裂(lie)。

五、工作條件(jian)對彈簧失效(xiào)的影響:

1、負載(zai)狀況對彈簧(huang)失效的影響(xiǎng)
通用機械中(zhong)受沖擊作用(yòng)的彈簧很多(duō)，如噴油泵之(zhī)❤️柱塞彈簧。這(zhe)👅種彈簧常在(zài)第二、三圈處(chù)折斷，因為第(dì)二、三圈首先(xiān)受到沖擊載(zai)荷且不能足(zu)夠快地傳給(gěi)其它各圈，頭(tou)幾圈承受🏃🏻‍♂️了(le)大部👌分沖擊(jī)，且比其各圈(quan)變形大得多(duō)。

設計者應考(kǎo)慮到動力效(xiào)應，盡可能避(bi)免一端的交(jiao)🈲變運動與❓彈(dan)簧的自然頻(pín)率之一發生(shēng)共振。但有時(shi)共振現象無(wú)法避免，應力(li)⁉️幅度會增加(jiā)5%以上，則要采(cǎi)取相應措施(shī)，例如采用💔較(jiào)高的自然頻(pin)率，使其不與(yu)低次諧波共(gòng)振。設計合理(li)的凸輪外形(xing),以降低工作(zuo)階段的節距(jù)。減少彈簧端(duān)部的節距,以(yi)🔞改變沖擊時(shí)🎯的自然頻率(lǜ)；對彈簧中部(bu)增用摩擦強(qiang)迫阻尼。

嚴格(gé)說來，彈簧工(gong)作時，載荷不(bu)可能作用在(zai)幾何中🔴心線(xian)上☁️，會形✏️成偏(pian)心載荷，總偏(pian)一個距離e，這(zhe)種負載偏心(xīn)要産生附♈加(jia)的🈲應力⚽，而使(shi)彈簧安全應(yīng)力顯著減小(xiao)，導緻彈簧過(guo)早失效。另外(wài)彈簧運行之(zhī)初承受過載(zǎi)荷也非常危(wei)險，初期過載(zai)🔴損傷的累積(jī)将降低彈簧(huang)疲勞極😄限而(ér)導緻早期疲(pí)勞斷裂。

2、環境(jing)因素對彈簧(huang)失效的影響(xiǎng)
在腐蝕環境(jing)中承受交變(bian)載荷将發生(shēng)腐蝕疲勞，由(yóu)于腐蝕環境(jìng)能加速疲勞(láo)的萌生和擴(kuo)展，因而會顯(xian)著降低彈簧(huáng)的🌈疲勞壽命(mìng)。例如彈簧鋼(gāng)試樣在淡水(shui)腐蝕下的持(chi)久極限僅是(shi)大氣中的10%～25%。

實(shi)例：對某電廠(chǎng)汽輪機主汽(qi)門操縱座彈(dan)簧的斷裂失(shī)效💃進行了🔞分(fèn)析。結果表明(míng)：彈簧材料化(huà)學成分及🤞組(zu)織都符合國(guo)☀️家标準，導緻(zhi)其早期疲勞(lao)斷裂的主要(yào)原因是彈簧(huáng)🈲表面的腐蝕(shí)坑（如圖5，圖6）；腐(fu)蝕坑是在彈(dàn)簧使用前的(de)放置🔞過程中(zhong)形成的，改善(shàn)彈簧放置🔴環(huan)境和縮短放(fang)置時間可以(yǐ)避免腐蝕坑(kēng)的産生。

在彈(dàn)簧類零件中(zhōng)，如螺旋壓縮(suō)彈簧的兩個(gè)端圈，拉伸彈(dàn)簧的彎鈎，扭(niu)杆的固定端(duān)，闆簧的片與(yu)片之間都可(kě)能産生微動(dòng)磨損（如圖7，圖(tu)8）。某公司的離(lí)合器減振彈(dàn)簧在疲勞試(shi)驗中斷裂，經(jing)🏃‍♀️分析彈簧多(duo)處受到外力(li)碰撞摩擦，造(zao)成彈簧過渡(dù)圈的接觸帶(dai)位置發生偏(pian)移，使得微振(zhèn)磨損不🏃‍♀️隻發(fā)生在一個平(píng)面上，造成不(bú)同微振磨損(sǔn)平面的交叠(dié)，導緻平面相(xiang)交♉處的應力(li)集中，導緻斷(duan)裂。

預防措施(shī)：可采取用抗(kàng)腐蝕的材料(liào)或者在彈簧(huáng)表面形成一(yī)個保護層的(de)表面處理方(fang)法來解決。

3、微(wēi)動磨損及碰(pèng)撞磕痕、凹坑(kēng)
預防措施：除(chu)消除振動和(he)改進結構設(she)計外，采用各(ge)種表面處理(lǐ)如離子注入(rù)，化學熱處理(li)以及噴丸、滾(gǔn)壓等表面硬(yìng)化工藝，提高(gao)表面的耐磨(mo)和疲勞性能(néng)，可以提高其(qi)抵抗微動磨(mo)損的⛹🏻‍♀️能力。而(er)降低表面的(de)🌈摩擦系數💃即(ji)通過潤滑方(fāng)式包括固體(ti)、半固體、及液(yè)體也可以減(jiǎn)緩微動損傷(shāng)的進程。

彈簧(huang)因為表面磕(ke)痕、凹坑等引(yin)起彈簧失效(xiao)的情況很多(duo)♻️，在😄失㊙️效件中(zhong)占很大比例(li)。如某公司離(li)合器從動盤(pán)彈簧由于彈(dàn)簧表面🏃‍♂️存在(zai)的嚴重磕傷(shang)而導緻它過(guò)早疲勞斷裂(liè)（如圖9，圖10）。這種(zhǒng)表面缺陷可(ke)能發生在彈(dàn)簧制造過程(chéng)中，也可能在(zài)使用過程中(zhōng)磕碰産生，制(zhi)造過程前面(mian)已述，而在使(shi)用過程，使用(yòng)者要檢查使(shi)用環境，避免(miǎn)彈簧受碰撞(zhuang)等。

4、工作溫度(dù)的影響
因不(bú)同的材料有(you)不同的耐熱(re)性能，溫度升(sheng)高時，金屬會(hui)受熱膨脹，尺(chǐ)寸的相應變(biàn)化會改變彈(dàn)簧的各種性(xing)能。不💃僅如此(ci)，彈簧的彈性(xing)模量E和切變(biàn)模量G下降，因(yīn)此，即使在載(zǎi)荷不變的條(tiao)件下，彈簧的(de)變形量将增(zēng)大。而且，在應(yīng)力、溫度和時(shí)間的共同作(zuò)用下，變形和(he)松弛将是彈(dàn)簧失效的一(yi)個重要模式(shi)。

實例：采用琴(qín)鋼絲制造的(de)壓縮機閥簧(huáng)，如長時間在(zai)160℃以🙇‍♀️上工作，由(you)于應力松弛(chí)和高度的減(jian)小，幾乎所有(yǒu)閥簧都被壓(yā)縮在閥座孔(kǒng)内，喪失了閥(fa)簧的工作性(xìng)能而失🛀效。

低(dī)溫與高溫條(tiáo)件相反，低溫(wēn)會使材料的(de)彈性模量、硬(yìng)度♻️及強🐕度增(zēng)加，但其塑性(xing)和韌性下降(jiàng)，特别是當溫(wēn)度低于該材(cái)🌏料的冷脆轉(zhuan)變溫度時，材(cái)料的脆性将(jiāng)非常嚴重，例(lì)如，在零下40℃時(shi)，在沖擊載荷(hé)條件下工作(zuo)的彈簧👌往往(wang)會碎成幾段(duan)。

彈簧的失(shī)效分析與預(yù)防技術參考(kao)

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