弹簧失效的原因分析

第9卷第6期南方职业教育学刊Vol.9No.62019年11月JOUＲNAL OF SOUTHEＲN VOCATIONAL EDUCATIONNov.2019收稿日期：2019－09－10基金项目：广州市科技计划项目（2014FH000014）作者简介：陈舒萍（1972—），女，湖南浏阳人，广州铁路职业技术学院副教授，硕士，研究方向为机电设备安装方面的教学和科研。

弹簧垫的失效原因分析及改进设计陈舒萍（广州铁路职业技术学院，广东广州510430）摘要：为解决生产线上称重装置弹簧垫的失效问题，对弹簧垫的受力进行了数值模拟。

得到的线弹性变形近似分析结果表明，零件内两内圆角处的最大应力已超过材料的屈服应力；对弹簧垫与底座整体受力进一步详细分析结果表明，零件内两内圆角处已产生了塑性变形，过大的应力和变形显著降低了零件的疲劳强度，是造成零件失效的直接原因。

改进设计中，将零件悬臂受力的结构形式改为两端固支的板梁结构，能大大降低零件的应力，显著提高零件的使用寿命。

关键词：弹簧垫；数值模拟；失效分析中图分类号：TH114文献标志码：A文章编号：2095－073X （2019）06－0077－041问题的提出自动生产线是由工件传送系统和控制系统将一组自动加工机床和辅助设备，按照工艺顺序联接起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统。

生产线上零件的可靠性对生产线的正常运行、维修和管理都具有重要影响［1－2］。

如图1所示为一弹簧垫，材料为65Mn ，热处理硬度为HＲC47，用作螺旋扭带生产线上称重装置的弹性底座，图1中A 位置球面上承受50kg 压力的周期载荷，载荷频率为每分钟19次。

工作过程中，弹簧垫的使用寿命一般不到2万次，主要失效形式是在图1中B 和C 线附近部位产生裂纹而断裂，B 处断裂占大多数。

弹簧垫的使用寿命相对很短，严重影响了生产线的正常使用。

因此，进行弹簧垫零件的受力分析，找到零件失效的原因，提出解决方案，对保证生产线的稳定正常运行具有重要意义［3－4］。

测试报告报告编号：绍质测2015-013测试对象委托单位 诸暨市裕荣弹簧有限公司绍兴市质量技术监督检测院1、 本 报告无 本 单 位 “测 试专用 章 ”无效 。

效Jh 2017T5A21H t Si£I 宵 术 fi|g«X弹簧2、复制本报告未重新加盖本单位“测试专用章”无效。

3、本报告无测试人员、签发人员签字无效。

4、本报告涂改无效。

5、对测试报告有异议，应于收到本报告起十五日内向我院申请复验。

通讯资料地址：绍兴市袍江新区世纪东街17 号邮政编码：312071电话：8传真：0投诉电话：2网址：绍兴市质量技术监督检测院测试报告一.情况说明诸暨市裕荣弹簧有限公司（以下简称裕荣）生产的弹簧，在使用8年后的一次检修过程中发现断裂。

为分析该弹簧断裂的原因，裕荣委托我院对该弹簧进行失效分析，分析其断裂原因。

二.测试过程（一）、失效分析对象描述及作业时间：1、失效分析对象：此次失效分析样品如图1、2所示，图1为裕荣提供的失效弹簧件, 图2为裕荣提供的失效弹簧件的断裂失效断面。

）H n 13 14 15 16 17 18 19 -八图1.失效弹簧件图2.断裂失效断面2、作业时间：2015年2月25日〜2016年3月15日（二）、测试依据:GB/T 1222-2007《弹簧钢》，GB/T 224-2009《钢的脱碳层深度测定法》，GB/T 1239.2-2009《卷圆柱螺旋弹簧技术条件第2部分：压缩弹簧》等。

（三）、测试方法：1、化学成分分析：按照标准GB/T 1222-2007《弹簧钢》的进行检验、判定；2、断口扫描电镜分析：使用扫描电镜观察断口形貌，判断断裂种类；3、金相分析：通过对金相试样显微分析判断断口处与母材处金相组织；4、弹簧尺寸测量：使用游标卡尺对弹簧丝直径，弹簧内径，外径和节径测量。

三、测试结果（一）、化学成分分析裕荣公司提供弹簧失效工件的化学成分分析结果列于表1。

从表1可知，断口附近材料的化学成分符合GB/T 1222-2007《弹簧钢》对牌号60Si2 MnA弹簧钢材料的要求，说明材料性能未发生弱化。

阀门弹簧频繁失效的原因
阀弹簧失效的原因总结如下:
1. 高压——弹簧对外力的瞬态冲击形式可分为静态变形、冲击分解和振动变形。

弹簧复位的主要原因是大变形和高载荷。

由高压力引起。

高应力仅适用于静载弹簧，低疲劳寿命延长。

2. 氢脆-如果弹簧没有镀好或腌制好，如果氢处理不当，会导致弹簧钢脆失效，但有色金属阀门弹簧不受此影响。

在电镀溶液中，对于电解水分子，总是有一定数量的氢离子。

部分氢离子形成堆叠，部分以氢原子状态渗入镀层和金属本体，使金属本体在电镀或酸洗后在烘箱或电阻炉中脱氢。

温度和时间是根据弹簧的大小和涂层的厚度来决定的。

一般情况下，当150涂层的温度下降时，常温会变脆。

这是氢。

脆弱。

-250秒，保持0.5-5小时。

3、急弯和刻痕——拉伸、扭转和急弯所造成的扁弹簧，其刻痕或划痕会造成扁弹簧高度应力集中，造成失效，所以弯曲应变应大，并避免打印时记住。

4. 疲劳反复变形的弹簧，特别是当其周期超过106周时，即使是中等的应力也可能导致疲劳失效。

当工作条件恶劣时，应采用低应力，提高弹簧的抗疲劳性能。

在合理选材的情况下，喷丸处理不仅使弹簧表面光滑，而且提高了弹簧的抗疲劳性能，延长了弹簧的抗疲劳性能。

至少可以防止表面脱碳、小坑、压痕、裂纹等缺陷。

喷丸可以使表面产生轻微的塑性变形，产生的残余应力可以部分恢复弹簧在多次断裂后产生的拉应力，拉应力正是裂纹的来源。

碟形弹簧疲劳失效碟形弹簧单位体积的变形能较大，用于吸收冲击和消散能量，在受到载荷长期冲击作用时，产生径向贯穿裂纹；碟簧工作时位于碟簧凹面内环面和端面交界处，承载最大拉应力，以下是碟簧失效分析：1.由于材料成分不合理，成分偏析导致碟簧性能不均匀，例如，60Si2Mn作为碟簧材料时，含Si量偏低，降低碟簧屈服强度，导致零件提前发生脆变，甚至开裂；含P量偏高，则加剧钢的脆性倾向和成分偏析；而杂物的存在则分割了基体的连续性，成为裂纹敏感的区域，特别当分布于零件表面时，容易造成压力集中，为应力腐蚀开裂优先选择了通道。

2.加工产生裂纹。

碟形弹簧由热锻加工成型，淬火+高温回火调质处理，喷丸强化处理表面，整个加工过程中会出现碟簧内部微裂纹，造成应力集中，在使用过程中若负载过大会加速碟簧疲劳失效甚至开裂。

3.应力腐蚀。

碟簧工作时承受拉应力，当碟簧卸除载荷，其内部依然保持着残余拉应力，若碟簧长期工作在酸性液体或湿度较大环境，在拉应力作用下，溶液中的氢发生聚集，吸附在表面的空穴、腐蚀坑等缺陷处，使表面能或原子健的结合力降低，局部应力集中加剧，当裂纹的形核功大于裂纹尖端应力强度因子时，从而导致环境脆断微裂纹的形核和扩展，出现微裂纹，导致碟簧过早疲劳失效。

4.热处理不合理。

碟簧热处理时，调质处理，由于回火温度与回火后的冷却速度不当或出现偏差（譬如回火后的冷却速度过于缓慢），产生高温回火脆性；热处理表面出现脱碳现象，对碟簧的疲劳寿命产生不良影响，使碟簧的弹性极限和疲劳寿命恶化，有利于促成裂纹的形成。

5.使用环境使碟簧产生进一步的脆化。

碟簧长期工作在高温或低温的环境下，其组织缓慢发生变化，出现进一步脆化。

6.长时间使用产生材料脆化。

材料长时间使用，碟簧内部组织达到甚至超出其力学性能极限，造成脆化出现，过早产生疲劳失效。

以上每一种原因都会造成碟形弹簧在工作时产生疲劳失效，给生产应用带来损失，因此探究碟形弹簧承受载荷与形变之间的关系就十分具有应用价值，针对目前碟簧的计算公式都适用于中小载荷下的局限，探究碟簧在大载荷下的应力应变关系，得出精度较高的计算式就显得十分必要。

挂架弹簧断裂失效分析挂架弹簧在吊装、运输和悬挂等方面广泛应用，但在实际使用过程中，由于一些因素的影响，挂架弹簧可能会发生断裂失效，给生产和生活带来安全隐患。

本文将从挂架弹簧失效的原因、表现及预防措施等方面进行分析。

首先，挂架弹簧的断裂失效原因主要有以下几个方面：1.疲劳：挂架弹簧在长期使用过程中受到千百次的往复应力作用，很可能发生疲劳断裂。

疲劳是弹簧断裂失效的主要原因之一。

2.过载：挂架弹簧的设计使用载荷与实际使用载荷不符，导致挂架弹簧超载，长期使用后断裂失效。

3.材料问题：挂架弹簧材料不合格，化学成分不符合标准，也可能导致挂架弹簧断裂失效。

其次，挂架弹簧的失效表现主要有以下四个方面：1. 挂架弹簧松动：当挂架弹簧松动后，会导致其加载能力降低，甚至导致其失效。

2. 挂架弹簧形变：因为挂架弹簧的负载特性并不是线性的，所以常常会发现随着负载加大，挂架弹簧的形变程度增加。

当挂架弹簧形变到极限时，会导致断裂失效。

3. 挂架弹簧裂纹：由于疲劳、材料问题等原因，挂架弹簧可能会出现不可见的裂纹，随着使用次数的增加，裂纹逐渐扩大，最终导致断裂失效。

4. 挂架弹簧变形或扭曲：挂架弹簧在使用过程中会经受各种应力作用，例如扭矩、剪切等。

当这些应力超出挂架弹簧的承受极限时，就会导致弹簧变形或扭曲，最终导致断裂失效。

最后，为了预防挂架弹簧的断裂失效，必须要采取以下预防措施：1. 选用合格材料：挂架弹簧制造时必须选用优质材料，必须符合国家标准和用户要求。

厂家必须要对材料进行必要的化学成分分析、热处理、表面处理和物理测试，确保弹簧的物性符合要求。

2. 合理延长使用寿命：为了延长挂架弹簧的使用寿命，必须合理规划使用条件、合理设置载荷以及合理布局、移动以及拆卸过程。

3. 定期检查维修：弹簧在使用中一旦出现变形、松动、裂纹等现象，必须进行及时检修或更换，特别是一些生产现场和高层建筑等高危区域，更需定期检查，确保使用安全。

总之，为了降低挂架弹簧的断裂失效风险，必须对其材料、设计、生产、运输、安装和维护过程加以严格控制，确保其在运用过程中始终保持可靠安全的状态。

欢迎访问中国金相分析网您现在位置：失效分析 > 弹簧失效分析扭转弹簧断裂失效问题分析刘 昕 胡景豫 陈宝贵(中国人民解放军海军驻齐齐哈尔市地区军事代表室 一重集团公司质量部)摘 要：某产品大量地应用了扭转弹簧，但在样机试验过程中多次出现扭转弹簧断裂的现象。

为找出断裂原因给研制改进提供有效数据，结合实验室试验数据，提出一些看法为研制整改工作提供理论依据。

关键词：扭转弹簧 断裂 脆断 热处理某产品由于其结构特点，大量地采用了扭转弹簧来实现机构动作。

在制造中对弹簧的要求较高，一是各项指标及参数要求严格；二是可靠性要好。

但在进行调试试验过程中，发现所使用的扭转弹簧经常断裂，为找出扭转弹簧发生断裂的原因，我们运用扫描电镜、光学显微镜、硬度计和化学分析等手段进行有效分析，并结合装配现场调查，对扭转弹簧断裂进行了失效分析，找出了断裂失效的主要原因，从而为下一步的研制工作奠定了基础。

1 宏观断口观察及分析扭转弹簧断裂对应件的宏观断口形态均呈现累次状，断口边缘有极浅的剪切唇，两个断口面平直，说明扭转弹簧在断裂时塑性变形极小；另外从两个断口面上的放射状形态指向上看，断裂源均在扭转弹簧内径表面处，其在断口上的相对位置相匹配，并且断裂源区域在整个断口面上所占的比例极少，甚至可以忽略不计。

从以上现象可以初步认定弹簧脆断的可能性较大。

2 材质化学成份分析扭转弹簧材质为60Si2CrVA钢，其化学成份分析结果和该钢的GB1222-84国标数据对比情况见表1。

从表1中可以看出：扭转弹簧材质60Si2CrVA钢化学成份的质量分数满足GB1222-84标准要求。

3 显微断口观察首先将1号断口放在阳光下用低倍放大镜观察，其断裂源区域略呈白色。

在扫描电镜下，1号断口的低倍形貌见图1。

断裂源位于弹簧内径表面，稍偏里侧，断口面较平，断口边缘有极浅的剪切唇。

整个断口脆断特征明显。

4 金相观察弹簧实物表面经磷化浸油处理而呈暗红色，观察其表面发现有划痕，见图2。

斯太尔991车钢板弹簧失效分析摘 要：文章针对斯太尔991车发生的进口板簧断裂事故，在分析失效件的基础上，采取有关材料失效分析技术，得出该板簧的早期失效原因，为有效控制产品质量提供了依据。

叙 词：汽车；钢板弹簧；失效分析1 概述重汽公司技术中心质检所在总后试车场进行斯太尔991车3万km道路试验中，汽车在行驶至17491km时，车上装用的进口板簧左前板簧第一片断裂，行驶至19696km时后板簧第一片、第二片断裂。

为查明失效原因，特对断裂件进行了分析。

2 断口宏观观察前簧断在离骑马螺栓中心孔350mm处，在板簧受拉面有两个裂纹源，裂纹源产生在直径约3mm的小坑内；断口具有典型早期疲劳失效特征:具有贝壳纹特征的疲劳裂纹扩展区占整个断面的10%左右，瞬断区占90%左右，如图1所示。

后簧第二片断在包耳开卷处，断口为早期疲劳失效特征，断口附近有多处疲劳裂纹源(如图2所示)，且在断口附近有多条与断口同向深度在0.2mm左右的裂纹。

图1 前簧宏观断口(箭头指裂纹源) 图2 后簧第二片宏观断口(箭头指裂纹源)3 化学成分化学成分检测结果见表1，符合DIN17222中58CrV4的成分要求。

4 硬度检查前后簧布氏硬度测量结果为：前簧HB417，后簧HB411。

5 金相检查(1)前簧在断裂处附近取样，基体为回火屈氏体组织，表面脱碳层深度为0.21mm。

显微硬度检查脱碳层如表2。

在裂纹源小坑处取样，表层为白亮层，白亮层厚度约为0.2mm；对试样进一步腐蚀，经观察得知白亮层为马氏体组织，如图3所示；白亮层显微硬度HV0.2=743，心部基体显微硬度HV0.2=396。

图3 白亮层组织 400×(2)后簧在裂纹附近取样，心部为回火屈氏体组织，表面脱碳层为0.28mm。

显微硬度检验脱碳层，结果见表3。

6 电镜观察及能谱分析利用SEM535、EDAX进行断口及微区成分分析，得知前簧裂纹源有两处存在许多附着物，裂纹源形貌如图4所示；用能谱仪进行定量分析，确定附着物的主要成份为锌元素，裂纹源小坑内有金属熔化流动结晶现象，附近存在很多小裂纹。

汽车用钢板弹簧失效分析摘要：钢板弹簧是汽车悬架的重要组成部分，钢板弹簧在汽车行驶中承受交变应力载荷，其产品质量直接关系到车辆行驶的平顺性及操控稳定性。

汽车钢板弹簧是汽车悬架应用最为广泛的一种弹性元件,具有可靠性好、结构简单、制作工艺流程短等优点。

关键词：汽车用；钢板弹簧；失效分析引言汽车钢板弹簧由若干片曲率半径不同、长度不同、宽度相同的弹性钢片叠加而成,在整体上近似等强度的弹性梁,具有减震和导向作用。

钢板弹簧的中部通过U型螺栓（又称骑马螺栓）固定在车桥上，其作用是通过悬挂的方式连接车架和车桥。

钢板弹簧裸露在车架与车桥之间，承受车轮对车架的冲击、弯曲和振动载荷，通过吸收车辆动能，将动能转化为弹性势能，从而起到缓冲作用，保证车辆的平稳性和安全性。

1理化检验1.1断口宏观分析断裂位置距离钢板弹簧中心35mm处，从图中可以看到钢板弹簧表面布满喷丸留下的凹坑。

钢板弹簧的断口形貌，从图中可以看出，断口与钢板弹簧长度方向垂直，无明显塑性变形，为宏观脆性开裂，断口表面较粗糙，在B区域可以观察到明显的撕裂棱，根据撕裂棱的方向可知A区域为裂纹源区，钢板弹簧断裂起源于表面，其余区域（C区）为最终断裂区。

1.2断口微观分析用扫描电镜观察钢板弹簧断口中的裂纹源区和扩展区的微观形貌，从图中可以看出该区域为解理断裂，属于微观脆性断裂，在裂纹源区可以观察到二次裂纹。

可以观察到疲劳辉纹，说明扩展区是在力的循环作用下形成的。

将钢板弹簧放到UniMT-12000A/D荧光磁粉探伤机中进行复合磁化，轴向电流为3500A，纵向电流为2000A，磁化2次，磁化时间为1s。

钢板弹簧表面磁粉探伤形貌，从图中可以看到钢板弹簧表面存在多条磁痕，钢板弹簧断口的裂纹源区域A和B处有明显的裂纹存在，说明钢板弹簧在台架试验前表面已有裂纹存在，需要进一步分析裂纹产生的原因。

1.3裂纹微观形貌分析用OLYMPUSGX53光学显微镜对裂纹形貌和裂纹处的显微组织进行检测。