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【摘要】本文對彈簧的腐蝕失效模式發(fā)生機理與預(yù)防進行了探討，絕大多數(shù)情況下金屬腐蝕是電化學(xué)過程,，電極電位低的材料作為陽極受到侵蝕,，由于彈簧材料不同，腐蝕介質(zhì)不同,，服役環(huán)境不同,，腐蝕會呈現(xiàn)出多種類型的失效模式，預(yù)防措施不盡相同,。本文旨在通過對彈簧可能發(fā)生的失效模式與發(fā)生機理進行討論的基礎(chǔ)上,，提出針對性預(yù)防措施思路，為彈簧設(shè)計,、選材和制造,，提供參考,。
關(guān)鍵詞：彈簧腐蝕 失效 機理 預(yù)防
一．彈簧腐蝕失效類型： 比之于疲勞，腐蝕是彈簧的另一種重要的失效模式,， 而且失效模式比疲勞更多,，機理更復(fù)雜， 圖一為彈簧的失效模式類型
圖一 彈簧腐蝕失效類型
二． 腐蝕的概念
1.一般腐蝕：金屬在空氣中與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層氧化膜,，如Cr2O3,、Al2O3、FeO等,，前二者的氧化膜致密,，能阻止空氣與底金屬進一步發(fā)生反應(yīng)，在空氣中有良好的穩(wěn)定性,。鐵氧化膜的FeO十分疏松,，容易脫落，導(dǎo)致底金屬不斷暴露,，周而復(fù)始,，表現(xiàn)為鐵被“腐蝕”這類腐蝕對彈簧的損害作用有限，采取適當防護措施,，如將材料置于干燥環(huán)境之中,，表面進行油漆涂裝即可阻斷腐蝕的發(fā)生。
2．電化學(xué)腐蝕：是指金屬內(nèi)部組織或者與外部其他材料之間存在電位差,，腐蝕過程中存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,，失去電子一方成為陽極，得到電子一方成為陰極,，失去電子一方被腐蝕,。電化學(xué)腐蝕普遍存在，如：
（1）.材料中存在不同相結(jié)構(gòu),，彈簧室溫組織珠光體（P）+鐵素體之間的電位差,。
（2）彈簧鋼中的偏析和夾雜所形成的電位差。
（3）單相結(jié)構(gòu)材料中成份不均勻（包括晶粒內(nèi)部）,，如18-8不銹鋼,，室溫下應(yīng)為單相結(jié)構(gòu)（γ相），如果材料長期處在一定溫度范圍（對于18-8為450~850℃）鉻在晶界析出聚集,，晶界形成貧鉻區(qū),，當晶界含鉻量低于鈍化所需最低12%含鉻量，晶界和晶粒形成電位差,，產(chǎn)生晶間腐蝕,。
（4）電化學(xué)腐蝕的前提是電位差，材料有電位差形成，缺少電子轉(zhuǎn)移的載體,，腐蝕不會發(fā)生,，只有同時存在導(dǎo)電載體，腐蝕才發(fā)生。純水溶入鹽之后，形成導(dǎo)電解質(zhì),，如海水中含有NaCl，潮濕空氣中溶入CO2,、SO2、NOx之后,，都會成為導(dǎo)電介質(zhì),，通過導(dǎo)電介質(zhì)的傳遞，電極電位低的材料失去電子,，電極電位高的材料得到電子,，周而復(fù)始，腐蝕不斷進行,，最終導(dǎo)致彈簧腐蝕失效,。
綜上論述，金屬發(fā)生腐蝕必須同時存在二個條件：①材料內(nèi)部或者兩種材料之間,，存在高與低兩種不同電位,，形成電位差；②存在有轉(zhuǎn)移電子功能的載體——導(dǎo)電介質(zhì),。二個條件同時滿足,，不同電位形成電流回路，原理和干電池完全相同,，只是電流相對微弱,，這種現(xiàn)象稱為微電池效應(yīng)。只要阻斷其中任何一個環(huán)節(jié),，就能達到抑制腐蝕的目的,。
三．彈簧材料金相組織和雜質(zhì)引起的全面腐蝕
彈簧鋼屬于鐵——碳類合金，室溫金相組織為鐵素體（F）+珠光體（P）,，同時存在硫磷雜質(zhì)和非金屬夾雜物,。珠光體中的滲碳體和雜質(zhì)元素以及夾雜物，電極電位高于鐵,，在可導(dǎo)電的潮濕空氣中即可發(fā)生微電池效應(yīng)，鐵（鐵素體）失去電子,，滲碳體和雜質(zhì)得到電子,，電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生，宏觀上表現(xiàn)出彈簧被腐蝕——“生銹”。彈簧“生銹”過程由于環(huán)境介質(zhì)不同會產(chǎn)生兩種類型的化學(xué)反應(yīng)：
1.析氫腐蝕：彈簧表面吸附水膜,，水膜中溶解有CO2,、SO2、NO2等酸性物質(zhì),，酸性較強時,，彈簧中的鐵（F）成為化學(xué)反應(yīng)中的陽極，失去電子,，而滲碳體和雜質(zhì)元素作為陰極得到電子,，反應(yīng)過程有氫氣放出，F(xiàn)e+2H2O=Fe(OH)2+H2↑,，稱為析氫腐蝕,。
2.吸氧腐蝕：彈簧表面吸附水膜且水膜中酸性較弱時，彈簧中的鐵（F）成為化學(xué)反應(yīng)中的陽極,，失去電子,，而滲碳體和雜質(zhì)元素作為陰極得到電子，反應(yīng)結(jié)果空氣中氧被消耗2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2稱之為吸氧腐蝕,。
四．彈簧服役環(huán)境引起的局部腐蝕
1．電偶腐蝕：
（1）．彈簧與其他材料直接接觸,，且與彈簧安裝在一起的材料電極電位高于彈簧，如彈簧與不銹鋼或者銅合金安裝在一起,，由于兩種材料的電位不同所發(fā)生的腐蝕稱為電偶腐蝕,。
圖二 電偶腐蝕
（2）電偶腐蝕的防止：
a.與彈簧直接接觸的材料的電極電位盡量與彈簧材料接近，一般要求小于50mV,。軍事用途的重要彈簧與接觸的材料之間的電位差小于25mV,。
b.采用合理的表面保護技術(shù)，使彈簧與其他金屬形成隔離,，常用的表面防護技術(shù)有熱涂鋅鋼絲,、達克羅（鋅鋁合金）涂覆、陰極電泳,、表面靜電涂裝,。
c.彈簧與其他相接觸的材料之間安裝絕緣襯墊。
2.點腐蝕：彈簧表面大部分部位顯示不出腐蝕或者腐蝕輕微,，只是在彈簧表面?zhèn)€別區(qū)域出現(xiàn)麻點,、小孔。隨著時間推移,，孔穴不斷加深,，出現(xiàn)孔狀腐蝕坑，這種現(xiàn)象稱為點腐蝕,。點腐蝕是一種危害性很大的腐蝕,，圖三為不同形狀的點腐蝕
圖三 不同形態(tài)的點腐蝕
點腐蝕存在孕育（萌生）和發(fā)展兩個階段，孕育（或誘導(dǎo)）期長短不。點蝕是一種破壞性和隱蔽性很大的局部腐蝕,，很難預(yù)測,，同時，點腐蝕常常又是彈簧發(fā)生應(yīng)力腐蝕的裂紋萌生源,。
材料成份對抗點腐蝕能力影響 ：金屬成份對點腐蝕敏感性有著重要的影響,，具有自鈍化特性的金屬或合金（如18-8奧氏體不銹鋼）對點蝕的敏感性較高，18-8型不銹鋼材料制造的彈簧在含有氯化物的介質(zhì)中使用,，很容易發(fā)生點腐蝕,。如果加入或者提高抗點腐蝕有益元素：Cr和Mo，能提高抗點腐蝕能力,，例如牌號為316的不銹鋼,，由于在材料中增加了Mo，元素,，它的抗點腐蝕能力明顯優(yōu)于304不銹鋼,。
3．縫隙腐蝕：彈簧材料表面與其它材料之間存在狹縫或間隙，腐蝕介質(zhì)的擴散受到很大限止,，導(dǎo)致狹縫內(nèi)腐蝕加速的現(xiàn)象稱為縫隙腐蝕,。縫隙腐蝕的根本原因在于縫隙內(nèi)局部先發(fā)生吸氧腐蝕,，由于縫隙內(nèi)相對閉塞,，腐蝕物不易擴散，缺氧之后,，氧又無法進入補充,，形成閉塞電池效應(yīng)?？p隙腐蝕的狹縫,，間隙大小必須滿足腐蝕物能夠進入，又滯留其中不易擴散的條件,，彈簧與相鄰零件之間存在0.05~0.15間隙時容易發(fā)生縫隙腐蝕,，如彈簧的端圈、多片碟形彈簧相疊使用以及它們與座,、芯棒之間存在一定的間隙,，就可能引起縫隙腐蝕?？p隙腐蝕的特征：
（1）不論是同種或異種材料的接觸,，還是彈簧與非金屬（如塑料、橡膠,、玻璃,、陶瓷等）之間接觸,，只要存在滿足引起縫隙腐蝕的狹縫和腐蝕介質(zhì)，都要會發(fā)生縫隙腐蝕,。
（2）腐蝕介質(zhì)（包括淡水）都能引起縫隙腐蝕。
（3）遭受縫隙腐蝕的彈簧表面,，既可表現(xiàn)為全面腐蝕,，也可表現(xiàn)為點腐蝕的形態(tài)。
（4）縫隙腐蝕會導(dǎo)致彈簧局部應(yīng)力集中,、強度降低,，承載能力下降。
（5）．縫隙腐蝕的影響因素
a縫隙的幾何因素： 縫隙的幾何形狀,、寬度和深度以及縫隙內(nèi)外面積比等,，縫隙寬度為0.10～0.12mm時，腐蝕深度******,。
b環(huán)境因素：影響縫隙腐蝕的環(huán)境因素包括溶液中的溶解氧量,、電解質(zhì)溶液的流速、溫度,、pH值和Cl－濃度等,。
c材料因素： 合金成分對縫隙腐蝕有重要影響，對于不銹鋼材料,，Cr,、Ni、Mo,、Cu,、Si、N等元素對提高其抗縫隙腐蝕是有效的,。
(6)．縫隙腐蝕的控制措施 ：
a合理設(shè)計： 彈簧的安裝位置間隙不宜過小,，一般間隙達到0.5左右，就能滿足腐蝕產(chǎn)物擴散,，氧得以進入的條件,，從而可以避免縫隙腐蝕。此外彈簧的端面平整盡可能避免造成縫隙,，安裝彈簧的位置盡可能不使用盲孔,，以避免腐蝕介質(zhì)滯留在孔中，避免發(fā)生閉塞電池效應(yīng),。
b合理選擇耐蝕性材料 選擇合適的耐縫隙腐蝕彈簧材料是控制縫隙腐蝕的有效方法之一,，含Cr、Mo,、Ni,、N量較高的不銹鋼和鎳基合金,，鈦及鈦合金、某些銅合金等具有較好的抗縫隙腐蝕性能,。
c采取電化學(xué)保護措施
（7）.特殊形式的縫隙腐蝕——絲狀腐蝕是一種特殊形式的縫隙腐蝕,，發(fā)生在處于一定濕度大氣環(huán)境中有涂層保護的彈簧鋼材料表面，腐蝕形態(tài)呈細絲狀,。絲狀腐蝕多發(fā)生在漆膜與彈簧基體表面之間的縫隙處,，又稱為膜下腐蝕。絲狀腐蝕的特征 在涂層下的金屬表面,，使金屬表面上的涂層出現(xiàn)無明顯損傷的隆起,，懸架彈簧磷化之后沒有烘干進行噴涂，就可能引起絲狀腐蝕,，彈簧涂層表面存在氣孔也能引起絲狀腐蝕,。
4.晶間腐蝕 ：晶間腐蝕是金屬在適宜的腐蝕環(huán)境中沿著或緊挨著材料的晶粒間界發(fā)生和發(fā)展的局部腐蝕破壞形態(tài)。晶間腐蝕從金屬材料表面開始,，沿著晶界向內(nèi)部發(fā)展,，使晶粒間的結(jié)合力大大喪失，以致材料的強度幾乎完全消失,。晶間腐蝕的預(yù)防：
圖四 晶間腐蝕
（1）碳是造成晶間腐蝕的主要元素,，選擇晶間腐蝕傾向低的低碳、超低碳不銹鋼材料制造彈簧,。
（2）選擇含有強碳化物成分的不銹鋼制造彈簧：加入鈦,、鈮等與碳的親和力比鉻更強的元素，使材料中C優(yōu)先與Ti,、Nb結(jié)合,，形成TiC、NbC,，減少奧氏體不銹鋼中原先可能與鉻結(jié)合的含碳量,。
（3）避免奧氏體不銹鋼材料制造的彈簧在敏化溫度區(qū)域（450～850℃）下使用。
5..應(yīng)力腐蝕（SCC）：應(yīng)力腐蝕由殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力在腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的彈簧失效過程,。冷卷彈簧在卷簧消除應(yīng)力之后,，殘留應(yīng)力沒有徹底消除，存在殘余拉應(yīng)力,，與彈簧在服役過程拉應(yīng)力疊加,，在腐蝕介質(zhì)作用下容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕機理：
（1）鈍化膜破壞：彈簧在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下,，在應(yīng)力集中區(qū)或彈簧材料缺陷處位錯啟動,，產(chǎn)生擠壓，彈簧材料表面的鈍化膜被破壞,，露出新鮮表面,，從而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕,。
（2）氫脆理論：彈簧受到腐蝕介質(zhì)作用，存在析氫反應(yīng),，氫析出集中于裂紋尖端向金屬內(nèi)部擴展,，從而形成氫脆。
（3）吸附理論：腐蝕介質(zhì)吸附在彈簧表面,，削弱材料原子間結(jié)合力,。
（4）裂紋尖端體積效應(yīng)：腐蝕介質(zhì)堆集在裂紋尖端形成楔狀物楔入，裂紋內(nèi)出現(xiàn)閉塞電池效應(yīng)而使腐蝕加速（類似于縫隙腐蝕）,。
（5）應(yīng)力腐蝕帶有一定的選擇性：每種彈簧材料的應(yīng)力腐蝕開裂對某些特別介質(zhì)敏感。 一般認為純金屬不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,，合金比純金屬更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,。
圖五 硫化氫造成的應(yīng)力腐蝕
（6）．應(yīng)力腐蝕開裂控制和預(yù)防：應(yīng)力腐蝕涉及到環(huán)境介質(zhì)，應(yīng)力,，材料三個方面,，因此防止應(yīng)力腐蝕也應(yīng)從這三方面入手。
a合理地選擇彈簧設(shè)計應(yīng)力：高應(yīng)力,、輕量化設(shè)計的彈簧而言,， 工藝上要注重防止應(yīng)力腐蝕風(fēng)險，卷簧后減少殘余拉應(yīng)力,，如進行SOFE處理,。
b通過熱處理盡量減少彈簧殘留應(yīng)力：冷卷彈簧成形之后存在很大的殘留應(yīng)力，冷卷彈簧成形后殘余應(yīng)力可達+800MPA以上,，消除應(yīng)力回火的溫度與保溫時間足夠,，懸架彈簧采用快速回火工藝，殘余應(yīng)力消除不夠,，可以用熱壓和熱噴丸工藝彌補快速回火殘余應(yīng)力消除不足,。
c減少應(yīng)力集中，彈簧制造過程盡量防止彈簧表面損傷,。
d不同材料對腐蝕介質(zhì)的敏感性不同,，合理選擇材，選擇與所接觸介質(zhì)有一定應(yīng)力腐蝕抗力的材料來制造彈簧,。
e涂層保護：如環(huán)氧樹脂,、聚氨酯涂層，陰極電泳,，使金屬表面和環(huán)境隔離開,，避免由于腐蝕介質(zhì)侵入在應(yīng)力聯(lián)合作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。
三．氫脆與腐蝕疲勞
1.氫脆：彈簧氫脆通常表現(xiàn)為的延遲斷裂,，如果追溯彈簧的生產(chǎn)工藝,，會發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)有酸洗或者電鍍的過程,，在含有氫氣氛工作的彈簧也會發(fā)生氫脆，氫脆好發(fā)于常溫,。
（1）氫脆是一種延滯性斷裂,，通常彈簧在酸洗和電鍍之后，氫脆并不立即發(fā)生,，因為氫進入彈簧材料之后有一個聚集過程,，這一過程的長短與酸或電鍍液的濃度和接觸時間有關(guān)，最短幾小時,，大都要經(jīng)歷數(shù)天或者數(shù)月之后才出現(xiàn)氫脆,。
（2）氫脆彈簧的脆性遠超應(yīng)力腐蝕，嚴重氫脆彈簧在儲存期間會自動爆裂,，彈簧落地即碎成數(shù)節(jié),，已經(jīng)發(fā)生氫脆的彈簧只能報廢，無法返工,。
（3）氫脆的斷口形貌與應(yīng)力腐蝕相當類似,，均呈現(xiàn)出冰糖狀脆性斷口。應(yīng)力腐蝕在裂源附近總可以找到腐蝕產(chǎn)物,，而氫脆缺少這方面的現(xiàn)象,。
圖六 鋼的氫脆圖片
2．氫脆機理：
（1）氫壓模型說：氫原子滲入鋼之后形成氫分子發(fā)生聚集，當氫分子聚集到一定程度時,，形成氫氣泡,，對周圍組織產(chǎn)生壓力，材料被氣泡爆裂,。
（2）氫與過渡族元素D層原子發(fā)生交互作用,，削弱原子結(jié)合力。
（3）氫聚集于位錯缺陷處,，與位錯發(fā)生交互作用,。
（4）偏聚于晶界的雜質(zhì)元素吸附氫，削弱晶界,。
3．氫脆的裂紋特性：彈簧發(fā)生氫脆,，一般會斷成數(shù)節(jié)，肉眼可以看到斷口雪花狀反光,，氫脆斷口電鏡下呈現(xiàn)解理斷裂花樣,。
4．氫脆的防止：
（1）氫脆的根本原因是彈簧在生產(chǎn)或者服役過程與氫接觸，因此彈簧生產(chǎn)過程禁止使用酸洗清除表面污垢,，如果必須要清理使用噴丸方法,。
（2）對于不能避免的電鍍，必須在涂后立即進行去氫處理,，去氫處理最遲要在一小時之內(nèi)進行,，去氫處理溫度200~220℃,，時間視彈簧線徑或片厚，最少不低于二小時,，一般應(yīng)在四小時或者更長,。
5．腐蝕疲勞：彈簧在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的疲勞失效稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞是高應(yīng)力懸架彈簧的主要失效模式,，當前懸架彈簧新材料開發(fā)和彈簧的表面防腐工藝都將防范腐蝕疲勞作為首先考慮的重點,。
（1）．腐蝕疲勞特點：一般疲勞當應(yīng)力降低到某一水平之后，S—N曲線呈現(xiàn)出水平狀態(tài),，在此狀態(tài)下的應(yīng)力水平稱為疲勞極限,。腐蝕疲勞，不存在明顯的疲勞極限,，并且同樣應(yīng)力水平下的疲勞壽命遠低于普通疲勞,，如圖七所示。
圖七 普通疲勞和腐蝕疲勞與腐蝕疲勞Ｓ－Ｎ曲線
（2）．腐蝕疲勞發(fā)生機理：
a蝕孔—應(yīng)力集中理論：認為腐蝕疲勞的疲勞源首先萌生于彈簧原來已經(jīng)形成腐蝕孔的基礎(chǔ)上,，在交變應(yīng)力作用下疲勞源被逐步撕開，在裂紋尖端應(yīng)力集中進一步加劇的同時腐蝕作用也在加強,，周而復(fù)始,，彈簧很快進入失穩(wěn)擴展期。
b表面膜破壞理論：認為彈簧在交變應(yīng)力作用下,，位錯產(chǎn)生滑移,，原來起保護作用的鈍化膜被破壞，露出金屬新鮮表面活性點形成陽極,，在交變應(yīng)力繼續(xù)作用下,，活性點越來越多，疲勞源開始萌生,，應(yīng)力集中隨之加強,，反過來又導(dǎo)致裂紋前端腐蝕加強，造成裂紋一步步被撕開,，彈簧很快進入失穩(wěn)擴展,。
（3）．腐蝕疲勞的影響因素：
a交變載荷和頻率：交變載荷增加，振幅加大壽命降低,，振動頻率對彈簧腐蝕疲勞壽命影響不大,。
b材料表面狀態(tài)：表面粗糙度越好，在同樣腐蝕環(huán)境下,，腐蝕疲勞壽命越高,。
（4）應(yīng)力腐蝕的預(yù)防：
a采用表面防護技術(shù)防止彈簧表面產(chǎn)生腐蝕孔是抑制腐蝕疲勞發(fā)生的關(guān)鍵，彈簧常用的防護手段如達克羅,、靜電噴涂,、陰極電泳都能有效地對彈簧表面提供防護,。
b提高彈簧表面粗糙度等級，如螺旋彈簧采用冷拔鋼絲或經(jīng)過磨光的銀亮鋼制造,，片簧和碟形彈簧采用冷軋材制造.
c合理選擇耐蝕性材料制造彈簧：彈簧選材上考慮選擇在服役環(huán)境中抗腐蝕性能優(yōu)異的材料,，如高應(yīng)力彈簧材料中加入Ni元素有利于提高腐蝕疲勞，適當降低材料的含碳量也是新研發(fā)材料考慮因素之一,。
d減少應(yīng)力集中：彈簧加工過程防止材料表面損傷
e選擇高純凈度材料：高純凈度材料能提高材料抗腐蝕性能和減少夾雜物引起的應(yīng)力集中,。
f采用噴丸工藝或者氮化處理：彈簧經(jīng)過噴丸產(chǎn)生的壓應(yīng)力，起到抵消一部分交變應(yīng)力的作用,。彈簧經(jīng)過氮化處理表面形成壓應(yīng)力,，有利于抵消彈簧工作中的交變應(yīng)力，并且彈簧表面氮化層有一定的耐腐蝕作用,。