彈簧的失效分析與預防技術參考彈簧是通用機械必不可少的部件。在工作過程中起到緩沖平衡、儲能、自動控制、回位、安全保險等作用。在彈簧的使用過程中，機械故障往往是由于各種原因造成的。為此，有必要探討彈簧失效的原因及預防措施。導致彈簧失效的主要因素是材料缺陷、制造缺陷、熱處理不當、表面處理不當和工作環(huán)境因素。通過對近年來21例彈簧失效案例的總結分析，彈簧表面缺陷，包括碰撞疤痕、微動磨損、凹坑等，是造成彈簧失效的主要原因，占50%;裂縫占20%;,寬松的13%;脫碳、熱處理、表面強化約占3%o彈簧失效可能是由一個原因引起的，也可能是幾個因素的組合。因此，彈簧的失效分析必須首先對實例的失效現象進行各種調查和分析，找出其失效模式，找出其失效的原因和因素，然后提出改進措施°一、彈簧原材料造成彈簧失效：.由于鋼的冶煉方法不同，鋼中會有夾雜物，導致彈簧不同程度的早期疲勞失效。夾雜物過多或尺寸過大，均勻性差會影響材料的力學性能，易出現早期疲勞失效。例如：為汽車扭桿彈簧懸架模型SY6480(①22mm)從一個公司打破了當時一輛新車的倉庫。根據分析，斷裂是由彈簧次表面的粗脆性夾雜物引起的。預防措施:彈簧材料必須具有良好的冶金質量，如嚴格控制化學成分，純度高，夾雜物含量低。同時還要求材料組成和結構的均勻性和穩(wěn)定性。為了減少鋼中的有害氣體和雜質元素，提高鋼的純度，應采用真空冶煉、電渣重熔等冶煉技術。.軋制過程中可能產生的缺陷：殘余收縮管和中心裂紋；折疊缺陷;線性缺陷,劃痕;表面坑;過熱，橘皮狀的表面，坑;這些可能會導致彈簧失效。因此，鋼廠應盡量避免和消除軋制過程中產生的缺陷。彈簧廠應加強對彈簧原材料的質量檢驗，盡量使用表面質量好的材料。冷彎彈簧成形時，彈簧的表面缺陷可能是由于工藝設備不良或在彈簧加工過程中調整操作不當造成的。例如，當彈簧在自動卷簧機上被切割時，刀具可以將金屬線的內表面插入到彈簧附近。熱成型的彈簧由于加熱溫度過高，在彈簧表面出現橙皮狀缺陷，大大降低了彈簧的疲勞壽命?；蛘?，在熱成形過程中，由于加熱溫度過低，鋼材的塑性不夠。在熱成形過程中，彈簧表面應力超過材料強度極限，產生裂紋。因此，在制造過程中必須加強彈簧表面的質量檢測，以避免表面缺陷二、制造過程中彈簧失效冷彎彈簧成形時，彈簧的表面缺陷可能是由于工藝設備不良或在彈簧加工過程中調整操作不當造成的。例如，當彈簧在自動卷簧機上被切割時，刀具可以將金屬線的內表面插入到彈簧附近。熱成型的彈簧由于加熱溫度過高，在彈簧表面出現橙皮狀缺陷，大大降低了彈簧的疲勞壽命。或者，在熱成形過程中，由于加熱溫度過低，鋼材的塑性不夠。在熱成形過程中，彈簧表面應力超過材料強度極限，容易產生裂紋。因此，在制造過程中必須加強彈簧表面的質量檢測，以避免表面缺陷。三、彈簧失效引起的熱處理工藝缺陷:加熱或冷卻時彈簧表面和中心溫度分布不均勻，會產生熱應力，相變過程會產生組織應力。當總量超過材料的強度極限時，會引起開裂。這種缺陷多見于大型彈簧水中淬火，裂紋無法修復，只能報廢。此外，原材料的缺陷，如鋼的殘余收縮、白點、冷加工刀痕、冷拔和熱軋時的劃痕和褶皺等，也會在淬火時引起應力集中和開裂。在淬火熱處理過程中，由于原表面出現短而淺的折疊裂紋，裂紋向徑向擴展至3.9mm。在疲勞試驗中，它首先膨脹，直到達到臨界尺寸，并導致彈簧瞬間斷裂。熱處理不當會產生粗淬火馬氏體等異常組織;第一共析鐵氧體或游離鐵氧體;碳化物偏析；彈簧熱處理變形;表面氧化和脫碳將導致彈簧失效。例如：某廠60Si2MnA熱成形彈簧，d=25,d=120,n=5,在900-950℃溫度下軋制，軋制后一次淬火，在470-490℃回火，加載后彈簧連續(xù)幾次早期失效。對失效彈簧的檢查發(fā)現個別彈簧出現淬火裂紋。通過對爐內氣體成分的分析，發(fā)現氣體成分不適宜約1個月，熱值過高，導致爐溫過高，個別彈簧過熱，奧氏體晶粒粗大，水中淬火后出現淬火裂紋。由于水的冷卻能力強，在奧氏體向馬氏體轉變的溫度范圍內，彈簧表面與芯體之間的溫差增大。由于馬氏體轉變的順序不同，它引起很多由于組織應力大，出現裂紋。預防措施:除嚴格控制加熱溫度和保溫時間外，控制爐內氣氛也很重要。定期分析加熱氣體成分，確保正常供熱。為了減少變形和防止淬火開裂，除了超大熱成型彈簧之外，一般熱成型彈簧都是在油中冷卻。四、彈簧失效原因表面處理不當：.表面噴丸工藝、噴丸設備、工藝方法和操作水平對噴丸有很大影響。如果廠家不把噴丸過程視為重要的強化過程，則要充分重視噴丸過程?？刂苹虮匾獧z測噴丸過程的效果，則噴丸可能得不到應有的強化效果，甚至可能成為彈簧早期失效的原因。從工廠進口的彈簧原材料表面經過氮化處理，表面硬度高。噴丸后，表面開裂，最終斷裂。因此，對于不同的材料和不同的工藝，必須選擇合適的噴丸工藝。.在電鍍過程中，彈簧表面和鍍層中含有大量的氫，如果不及時、充分地去除，就會導致氫在工作過程中滯后失效。有時在進行氧化處理或磷化處理之前，為了除去彈簧表面的氧化皮和銹，需要進行酸洗。當過量的酸洗導致大量的氫滲透到零件中，但未能及時、充分地去除氫時，就會造成彈簧的氫脆失效。例如:將直徑為0.6mm的70”冷拔碳素彈簧鋼絲鍍鎘制成直徑為4.0mm的扭力彈簧，在裝配過程中斷裂。采用能譜分析(EDS)、金相分析和掃描電鏡(SEM)對斷口進行宏、微觀檢驗分析。結果表明，彈簧在纏繞過程中產生的殘余拉應力和鍍前與含氫介質的接觸使大量的氫以分散的形式分布，并沿晶體形成裂紋。在外力作用下，彈簧沿晶體發(fā)生脆性斷裂。五、工作條件對彈簧失效的影響:.加載條件對彈簧失效的影響在一般機械中有許多彈簧受沖擊的影響，如注射泵的柱塞彈簧。這種彈簧在第二圈和第三圈時經常斷裂，因為第二圈和第三圈首先受到沖擊載荷，無法足夠快地傳遞到其他圈。前兒輪受到的沖擊最大，變形也比各自的回合嚴重。更多。設計時應考慮動態(tài)效應，盡量避免彈簧一端與彈簧固有頻率的共振。然而，有時共振現象是不可避免的，應力幅值會增加5%以上。因此，必須采取相應的措施，如使用較高的固有頻率，以防止它與較低的諧波共振。設計合理的凸輪輪廓，以減少工作階段的螺距。減小彈簧末端的螺距，改變沖擊的固有頻率；在彈簧中間加上摩擦強制阻尼。嚴格說來，當春天的作品，不可能采取行動的負載幾何中心線，并將形成一個偏心載荷，這始終是抵消距離eo這個偏心載荷將產生額外的壓力，這將顯著減少彈簧的安全壓力，導致過早失效。此外，彈簧在剛開始工作時過載也很危險。初始過載損傷的累積會降低彈簧的疲勞極限，導致早期疲勞斷裂。.環(huán)境因素對彈簧失效的影響在腐蝕環(huán)境中，交變載荷會引起腐蝕疲勞。由于腐蝕環(huán)境會加速疲勞的萌生和擴展，會顯著降低彈簧的疲勞壽命。例如，在淡水腐蝕下，彈簧鋼試樣在大氣中的耐久極限僅為10%?25%o實例：對某電廠汽輪機主氣門控制座彈簧斷裂失效進行了分析。結果表明，該彈簧材料的化學成分和組織符合國家標準。其早期疲勞斷裂的主要原因是彈簧表面的腐蝕坑;在使用前彈簧的放置過程中會形成腐蝕坑，這改善了環(huán)境，縮短了彈簧的放置時間。時間可以避免產生腐蝕坑在彈簧類零件中，如螺旋壓縮彈簧的兩端環(huán)、張力彈簧的鉤、扭桿的固定端、葉片與葉片之間的微動磨損。某公司離合器減震彈簧在疲勞試驗中斷裂。經過分析，彈簧受到外力的碰撞和摩擦，使得彈簧過渡環(huán)接觸區(qū)位置發(fā)生偏移，不僅在一個平面上產生微振動磨損，還產生不同的微振動。磨損面的重疊導致磨損面的交點處應力集中，導致斷裂。預防措施：可采用耐腐蝕材料或在彈簧表面形成保護層的表面處理方法解決。3、微動磨損和碰撞痕、坑預防措施:除了消除振動和提高結構設計、離子注入等各種表面處理,化學熱處理、噴丸加工，軋制和其他表面硬化過程是用來改善表面的耐磨性和疲勞性能,可提高其耐磨損能力。通過潤滑降低表面（包括固體、半固體和液體）的摩擦系數，也可以減緩微動損傷的過程。由于彈簧表面的劃痕、凹坑等原因導致彈簧失效的事例很多，占零件失效的很大比例。例如，某公司的離合器從動盤彈簧由于彈簧表面的嚴重擦傷而過早疲勞斷裂。這種表面缺陷可能發(fā)生在彈簧的制造過程中，也可能在使用過程中發(fā)生碰撞。上面已經描述了制造過程。在使用過程中，用戶應該檢查使用環(huán)境，以避免彈簧受到影響。4.工作溫度的影響由于不同的材料具有不同的耐熱性能，當溫度升高時，金屬會隨著熱量的增加而膨脹，相應的尺寸變化會改變彈簧的各種性能。不僅如此，彈簧的彈性模量E和剪切模量G也會減小，所以即使在恒載的情況下，彈簧的變形量也會增大。此外，在應力、溫度和時間的共同作用下，變形和松弛將是彈簧失效