彈簧是一般機(jī)械不可缺少的零件，它在工作過(guò)程中起到緩沖平衡、儲(chǔ)存能量、自動(dòng)控制、回位定位、安全保險(xiǎn)等作用。彈簧在使用過(guò)程中常因各種原因?qū)е率Ф饳C(jī)械故障。為此，有必要討論引起彈簧失效的原因及預(yù)防措施。
導(dǎo)致彈簧失效的主要因素有材料缺陷，加工制造缺陷，熱處理不當(dāng)，表面處理不當(dāng)，工作環(huán)境因素等。通過(guò)對(duì)近幾年21個(gè)彈簧失效案例的匯總分析，彈簧表面缺陷，包括碰撞磕痕、微動(dòng)磨損、凹坑等造成彈簧失效的比例最大，占50%；另外還有裂紋占有20%；夾雜、疏松13%；脫碳、熱處理、表面強(qiáng)化分別占3%左右。彈簧失效可由一種原因引起，也可由幾種原因因素綜合作用所致。因此，對(duì)彈簧的失效分析必須先對(duì)實(shí)例的失效現(xiàn)象進(jìn)行種種調(diào)查分析，弄清楚其失效模式，然后找出其失效的原因因素，從而提出改進(jìn)措施。
一、彈簧原材料引起的彈簧失效:
1、由于鋼的冶煉方法不同，會(huì)使鋼中存在不同程度造成彈簧早期疲勞失效的夾雜物，夾雜物過(guò)量或尺寸過(guò)大，均勻度不好都會(huì)影響材料的力學(xué)性能，容易早期疲勞失效。
實(shí)例：某公司一件型號(hào)為SY6480（Ф22mm）的車輛懸架用扭桿彈簧，在新車出庫(kù)時(shí)便發(fā)生斷裂，分析認(rèn)為斷裂起源于彈簧亞表面存在的一個(gè)粗大脆性?shī)A雜物（如圖1，圖2(圖1的放大圖)）。
預(yù)防措施：彈簧材料必須有優(yōu)良的冶金質(zhì)量，如嚴(yán)格控制化學(xué)成分、高純凈度，較低夾雜物含量，同時(shí)還要求材料成分和組織的均勻性和穩(wěn)定性。為了降低鋼中有害氣體和雜質(zhì)元素，提高鋼的純凈度，應(yīng)采用真空冶煉及電渣重熔等精煉技術(shù)。
2、軋制過(guò)程可能引起的缺陷：殘余縮管及中心裂紋；折疊缺陷（如圖3）；線狀缺陷、劃痕；表面銹蝕坑；過(guò)燒、桔皮狀表面、麻坑；這些都可能導(dǎo)致彈簧失效。所以鋼廠應(yīng)盡量避免和消除軋制過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，彈簧廠應(yīng)加強(qiáng)對(duì)彈簧原材料質(zhì)量檢查，盡量采用表面質(zhì)量好的材料。
冷成形螺旋彈簧在卷簧時(shí)由于卷簧過(guò)程中工藝裝備不良或調(diào)整操作不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生彈簧的表面缺陷。如自動(dòng)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的內(nèi)表面。熱成形彈簧由于熱成形加熱溫度過(guò)高彈簧表面產(chǎn)生桔皮狀缺陷，使彈簧疲勞壽命大幅度降低。或者，熱成形時(shí)，由于加熱溫度過(guò)低，鋼的塑性不夠，熱成形過(guò)程中彈簧表面應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限會(huì)產(chǎn)生裂紋[1]。所以在制造過(guò)程中也要加強(qiáng)對(duì)彈簧表面質(zhì)量檢查，盡量避免表面缺陷的產(chǎn)生。
二、制造過(guò)程中引起的彈簧失效:
冷成形螺旋彈簧在卷簧時(shí)由于卷簧過(guò)程中工藝裝備不良或調(diào)整操作不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生彈簧的表面缺陷。如自動(dòng)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的內(nèi)表面。熱成形彈簧由于熱成形加熱溫度過(guò)高彈簧表面產(chǎn)生桔皮狀缺陷，使彈簧疲勞壽命大幅度降低。或者，熱成形時(shí)，由于加熱溫度過(guò)低，鋼的塑性不夠，熱成形過(guò)程中彈簧表面應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限會(huì)產(chǎn)生裂紋。所以在制造過(guò)程中也要加強(qiáng)對(duì)彈簧表面質(zhì)量檢查，盡量避免表面缺陷的產(chǎn)生。
三、熱處理工藝缺陷造成的彈簧失效:
彈簧在加熱或冷卻期間表面和中心溫度分布不均勻會(huì)引起熱應(yīng)力，相變的過(guò)程會(huì)造成組織應(yīng)力,其總值超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。這種缺陷多見(jiàn)于尺寸較大的在水中淬火的彈簧,其裂紋產(chǎn)生后無(wú)法修復(fù)只能報(bào)廢。另外原材料的缺陷，如鋼中的殘余縮孔、白點(diǎn)、冷加工刀痕、冷拉和熱軋過(guò)程中的劃痕、折疊等缺陷，都會(huì)造成淬火時(shí)的應(yīng)力集中而開(kāi)裂。如圖4所示即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(shí)，該裂紋沿徑向擴(kuò)展至3.9mm，在做疲勞試驗(yàn)時(shí)，它首先擴(kuò)展，直至達(dá)到臨界尺寸而引起彈簧的瞬時(shí)破斷。熱處理不當(dāng)產(chǎn)生的非正常組織如粗大的淬火馬氏體；先共析鐵素體或游離鐵素體；碳化物偏析；彈簧的熱處理變形；表面氧化與脫碳都會(huì)造成彈簧失效。
實(shí)例:某廠60Si2MnA熱成型彈簧,d=25，D=120，n=5，在溫度900～950℃卷制成型,卷后一次淬火,470～490℃回火。裝車使用后彈簧連續(xù)幾次發(fā)生早期失效。對(duì)已失效的彈簧進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)個(gè)別彈簧出現(xiàn)淬火裂紋,經(jīng)爐氣成分分析發(fā)現(xiàn),大約有一個(gè)月煤氣成分不當(dāng),發(fā)熱量偏高,使?fàn)t溫過(guò)高,個(gè)別彈簧過(guò)熱,奧氏體晶粒粗大,水中淬火后出現(xiàn)淬火裂紋,由于水的冷卻能力很強(qiáng),在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，彈簧表面與心部溫差增大，因馬氏體相變的先后不同,引起很大的組織應(yīng)力,因而出現(xiàn)裂紋。
預(yù)防措施：除嚴(yán)格控制好加熱溫度、保溫時(shí)間外，控制爐內(nèi)氣氛是很重要的，定期分析加熱煤氣成分,保證熱量供應(yīng)正常；為了減少變形,杜絕淬火開(kāi)裂，除了尺寸過(guò)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(dāng)造成的彈簧失效:
1、表面噴丸強(qiáng)化工藝，噴丸強(qiáng)化設(shè)備、工藝方法及操作水平對(duì)噴丸強(qiáng)化有很大的影響，如果制造者不把噴丸工藝當(dāng)作一個(gè)重要的強(qiáng)化工藝，充分注意噴丸工藝的控制，也不進(jìn)行工藝效果的必要檢測(cè)，那么噴丸處理有可能得不到它應(yīng)有的強(qiáng)化效果，甚至可能成為彈簧發(fā)生早期失效的誘因。
實(shí)例：某廠進(jìn)口的彈簧原材料，是經(jīng)滲氮表面處理的，表面硬度較高，經(jīng)噴丸處理后，導(dǎo)致表面產(chǎn)生裂紋而最終斷裂。所以針對(duì)不同的材料，經(jīng)不同的工藝處理后，要選擇的合適的噴丸工藝。
2、電鍍時(shí)彈簧表面及鍍層中富含的氫氣，如不能得到及時(shí)和充分的清除，可導(dǎo)致彈簧在工作時(shí)的氫致滯后斷裂而失效。有時(shí)在氧化處理或磷化處理前，為了去除彈簧表面的氧化皮和銹跡，需進(jìn)行酸洗。當(dāng)酸洗過(guò)度造成氫大量滲入零件內(nèi)部，而又未能及時(shí)和充分的除氫處理時(shí)，可導(dǎo)致彈簧的氫脆斷裂失效。
實(shí)例：直徑0.6mm的70"冷拔碳素彈簧鋼絲鍍鎘后，制成中徑4.0mm扭轉(zhuǎn)彈簧，在裝配時(shí)發(fā)生斷裂。采用能譜分析(EDS)、金相分析和掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行了宏觀和微觀檢測(cè)及分析。結(jié)果表明：彈簧在繞制過(guò)程中的殘余拉應(yīng)力以及在鍍前接觸了含氫介質(zhì)，致使大量的氫殘留并呈彌散分布形態(tài)，進(jìn)而形成沿晶裂紋，在外力作用下，導(dǎo)致彈簧沿晶脆性斷裂。
五、工作條件對(duì)彈簧失效的影響:
1、負(fù)載狀況對(duì)彈簧失效的影響
通用機(jī)械中受沖擊作用的彈簧很多，如噴油泵之柱塞彈簧。這種彈簧常在第二、三圈處折斷，因?yàn)榈诙⑷κ紫仁艿經(jīng)_擊載荷且不能足夠快地傳給其它各圈，頭幾圈承受了大部分沖擊，且比其各圈變形大得多。
設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮到動(dòng)力效應(yīng)，盡可能避免一端的交變運(yùn)動(dòng)與彈簧的自然頻率之一發(fā)生共振。但有時(shí)共振現(xiàn)象無(wú)法避免，應(yīng)力幅度會(huì)增加5%以上，則要采取相應(yīng)措施，例如采用較高的自然頻率，使其不與低次諧波共振。設(shè)計(jì)合理的凸輪外形,以降低工作階段的節(jié)距。減少?gòu)椈啥瞬康墓?jié)距,以改變沖擊時(shí)的自然頻率；對(duì)彈簧中部增用摩擦強(qiáng)迫阻尼。
嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，彈簧工作時(shí)，載荷不可能作用在幾何中心線上，會(huì)形成偏心載荷，總偏一個(gè)距離e，這種負(fù)載偏心要產(chǎn)生附加的應(yīng)力，而使彈簧安全應(yīng)力顯著減小，導(dǎo)致彈簧過(guò)早失效。另外彈簧運(yùn)行之初承受過(guò)載荷也非常危險(xiǎn)，初期過(guò)載損傷的累積將降低彈簧疲勞極限而導(dǎo)致早期疲勞斷裂。
2、環(huán)境因素對(duì)彈簧失效的影響
在腐蝕環(huán)境中承受交變載荷將發(fā)生腐蝕疲勞，由于腐蝕環(huán)境能加速疲勞的萌生和擴(kuò)展，因而會(huì)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(duì)某電廠汽輪機(jī)主汽門操縱座彈簧的斷裂失效進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：彈簧材料化學(xué)成分及組織都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致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）；腐蝕坑是在彈簧使用前的放置過(guò)程中形成的，改善彈簧放置環(huán)境和縮短放置時(shí)間可以避免腐蝕坑的產(chǎn)生。
在彈簧類零件中，如螺旋壓縮彈簧的兩個(gè)端圈，拉伸彈簧的彎鉤，扭桿的固定端，板簧的片與片之間都可能產(chǎn)生微動(dòng)磨損（如圖7，圖8）。某公司的離合器減振彈簧在疲勞試驗(yàn)中斷裂，經(jīng)分析彈簧多處受到外力碰撞摩擦，造成彈簧過(guò)渡圈的接觸帶位置發(fā)生偏移，使得微振磨損不只發(fā)生在一個(gè)平面上，造成不同微振磨損平面的交迭，導(dǎo)致平面相交處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂。
預(yù)防措施：可采取用抗腐蝕的材料或者在彈簧表面形成一個(gè)保護(hù)層的表面處理方法來(lái)解決。
3、微動(dòng)磨損及碰撞磕痕、凹坑
預(yù)防措施：除消除振動(dòng)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，采用各種表面處理如離子注入，化學(xué)熱處理以及噴丸、滾壓等表面硬化工藝，提高表面的耐磨和疲勞性能，可以提高其抵抗微動(dòng)磨損的能力。而降低表面的摩擦系數(shù)即通過(guò)潤(rùn)滑方式包括固體、半固體、及液體也可以減緩微動(dòng)損傷的進(jìn)程。
彈簧因?yàn)楸砻婵暮邸伎拥纫饛椈墒У那闆r很多，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在的嚴(yán)重磕傷而導(dǎo)致它過(guò)早疲勞斷裂（如圖9，圖10）。這種表面缺陷可能發(fā)生在彈簧制造過(guò)程中，也可能在使用過(guò)程中磕碰產(chǎn)生，制造過(guò)程前面已述，而在使用過(guò)程，使用者要檢查使用環(huán)境，避免彈簧受碰撞等。
4、工作溫度的影響
因不同的材料有不同的耐熱性能，溫度升高時(shí)，金屬會(huì)受熱膨脹，尺寸的相應(yīng)變化會(huì)改變彈簧的各種性能。不僅如此，彈簧的彈性模量E和切變模量G下降，因此，即使在載荷不變的條件下，彈簧的變形量將增大。而且，在應(yīng)力、溫度和時(shí)間的共同作用下，變形和松弛將是彈簧失效的一個(gè)重要模式。
實(shí)例：采用琴鋼絲制造的壓縮機(jī)閥簧，如長(zhǎng)時(shí)間在160℃以上工作，由于應(yīng)力松弛和高度的減小，幾乎所有閥簧都被壓縮在閥座孔內(nèi)，喪失了閥簧的工作性能而失效。
低溫與高溫條件相反，低溫會(huì)使材料的彈性模量、硬度及強(qiáng)度增加，但其塑性和韌性下降，特別是當(dāng)溫度低于該材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料的脆性將非常嚴(yán)重，例如，在零下40℃時(shí)，在沖擊載荷條件下工作的彈簧往往會(huì)碎成幾段。
