彈簧是一般機械不可缺少的零件，它在工作過程中起到緩沖平衡、儲存能量、自動控制、回位定位、安全保險等作用。彈簧在使用過程中常因各種原因?qū)е率Ф饳C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。通過對近幾年21個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，對彈簧的失效分析必須先對實例的失效現(xiàn)象進行種種調(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，夾雜物過量或尺寸過大，均勻度不好都會影響材料的力學(xué)性能，容易早期疲勞失效。
實例：某公司一件型號為SY6480（Ф22mm）的車輛懸架用扭桿彈簧，在新車出庫時便發(fā)生斷裂，分析認為斷裂起源于彈簧亞表面存在的一個粗大脆性夾雜物（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，如嚴格控制化學(xué)成分、高純凈度，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(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程中產(chǎn)生的缺陷，彈簧廠應(yīng)加強對彈簧原材料質(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由于卷簧過程中工藝裝備不良或調(diào)整操作不當(dāng)會產(chǎn)生彈簧的表面缺陷。如自動卷簧機上切斷彈簧時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，由于加熱溫度過低，鋼的塑性不夠，熱成形過程中彈簧表面應(yīng)力超過材料強度極限會產(chǎn)生裂紋[1]。所以在制造過程中也要加強對彈簧表面質(zhì)量檢查，盡量避免表面缺陷的產(chǎn)生。
二、制造過程中引起的彈簧失效:
冷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(dāng)會產(chǎn)生彈簧的表面缺陷。如自動卷簧機上切斷彈簧時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，由于加熱溫度過低，鋼的塑性不夠，熱成形過程中彈簧表面應(yīng)力超過材料強度極限會產(chǎn)生裂紋。所以在制造過程中也要加強對彈簧表面質(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引起熱應(yīng)力，相變的過程會造成組織應(yīng)力,其總值超過材料的強度極限時會導(dǎo)致開裂。這種缺陷多見于尺寸較大的在水中淬火的彈簧,其裂紋產(chǎn)生后無法修復(fù)只能報廢。另外原材料的缺陷，如鋼中的殘余縮孔、白點、冷加工刀痕、冷拉和熱軋過程中的劃痕、折疊等缺陷，都會造成淬火時的應(yīng)力集中而開裂。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，該裂紋沿徑向擴展至3.9mm，在做疲勞試驗時，它首先擴展，直至達到臨界尺寸而引起彈簧的瞬時破斷。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造成彈簧失效。
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。對已失效的彈簧進行檢查,發(fā)現(xiàn)個別彈簧出現(xiàn)淬火裂紋,經(jīng)爐氣成分分析發(fā)現(xiàn),大約有一個月煤氣成分不當(dāng),發(fā)熱量偏高,使爐溫過高,個別彈簧過熱,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,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：除嚴格控制好加熱溫度、保溫時間外，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(dāng)造成的彈簧失效:
1、表面噴丸強化工藝，噴丸強化設(shè)備、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當(dāng)作一個重要的強化工藝，充分注意噴丸工藝的控制，也不進行工藝效果的必要檢測，那么噴丸處理有可能得不到它應(yīng)有的強化效果，甚至可能成為彈簧發(fā)生早期失效的誘因。
實例：某廠進口的彈簧原材料，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、電鍍時彈簧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(dǎo)致彈簧在工作時的氫致滯后斷裂而失效。有時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，需進行酸洗。當(dāng)酸洗過度造成氫大量滲入零件內(nèi)部，而又未能及時和充分的除氫處理時，可導(dǎo)致彈簧的氫脆斷裂失效。
實例：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，在裝配時發(fā)生斷裂。采用能譜分析(EDS)、金相分析和掃描電鏡(SEM)對斷口進行了宏觀和微觀檢測及分析。結(jié)果表明：彈簧在繞制過程中的殘余拉應(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、工作條件對彈簧失效的影響:
1、負載狀況對彈簧失效的影響
通用機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，因為第二、三圈首先受到?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)計者應(yīng)考慮到動力效應(yīng)，盡可能避免一端的交變運動與彈簧的自然頻率之一發(fā)生共振。但有時共振現(xiàn)象無法避免，應(yīng)力幅度會增加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)計合理的凸輪外形,以降低工作階段的節(jié)距。減少彈簧端部的節(jié)距,以改變沖擊時的自然頻率；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，這種負載偏心要產(chǎn)生附加的應(yīng)力，而使彈簧安全應(yīng)力顯著減小，導(dǎo)致彈簧過早失效。另外彈簧運行之初承受過載荷也非常危險，初期過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(jié)果表明：彈簧材料化學(xué)成分及組織都符合國家標準，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程中形成的，改善彈簧放置環(huán)境和縮短放置時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)分析彈簧多處受到外力碰撞摩擦，造成彈簧過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保護層的表面處理方法來解決。
3、微動磨損及碰撞磕痕、凹坑
預(yù)防措施：除消除振動和改進結(jié)構(gòu)設(shè)計外，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磨損的能力。而降低表面的摩擦系數(shù)即通過潤滑方式包括固體、半固體、及液體也可以減緩微動損傷的進程。
彈簧因為表面磕痕、凹坑等引起彈簧失效的情況很多，在失效件中占很大比例。如某公司離合器從動盤彈簧由于彈簧表面存在的嚴重磕傷而導(dǎo)致它過早疲勞斷裂（如圖9，圖10）。這種表面缺陷可能發(fā)生在彈簧制造過程中，也可能在使用過程中磕碰產(chǎn)生，制造過程前面已述，而在使用過程，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，金屬會受熱膨脹，尺寸的相應(yīng)變化會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、溫度和時間的共同作用下，變形和松弛將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，低溫會使材料的彈性模量、硬度及強度增加，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，材料的脆性將非常嚴重，例如，在零下40℃時，在沖擊載荷條件下工作的彈簧往往會碎成幾段。
