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【摘要】本文对弹簧的腐蚀失效模式发生机理与预防进行了探讨，绝大多数情况下金属腐蚀是电化学过程，电极电位低的材料作为阳极受到侵蚀，由于弹簧材料不同，腐蚀介质不同，服役环境不同，腐蚀会呈现出多种类型的失效模式，预防措施不尽相同。本文旨在通过对弹簧可能发生的失效模式与发生机理进行讨论的基础上，提出针对性预防措施思路，为弹簧设计、选材和制造，提供参考。
关键词：弹簧腐蚀 失效 机理 预防
一．弹簧腐蚀失效类型： 比之于疲劳，腐蚀是弹簧的另一种重要的失效模式， 而且失效模式比疲劳更多，机理更复杂， 图一为弹簧的失效模式类型
图一 弹簧腐蚀失效类型
二． 腐蚀的概念
1.一般腐蚀：金属在空气中与氧发生化学反应生成一层氧化膜，如Cr2O3、Al2O3、FeO等，前二者的氧化膜致密，能阻止空气与底金属进一步发生反应，在空气中有良好的稳定性。铁氧化膜的FeO十分疏松，容易脱落，导致底金属不断暴露，周而复始，表现为铁被“腐蚀”这类腐蚀对弹簧的损害作用有限，采取适当防护措施，如将材料置于干燥环境之中，表面进行油漆涂装即可阻断腐蚀的发生。
2．电化学腐蚀：是指金属内部组织或者与外部其他材料之间存在电位差，腐蚀过程中存在电子转移现象，失去电子一方成为阳极，得到电子一方成为阴极，失去电子一方被腐蚀。电化学腐蚀普遍存在，如：
（1）.材料中存在不同相结构，弹簧室温组织珠光体（P）+铁素体之间的电位差。
（2）弹簧钢中的偏析和夹杂所形成的电位差。
（3）单相结构材料中成份不均匀（包括晶粒内部），如18-8不锈钢，室温下应为单相结构（γ相），如果材料长期处在一定温度范围（对于18-8为450~850℃）铬在晶界析出聚集，晶界形成贫铬区，当晶界含铬量低于钝化所需最低12%含铬量，晶界和晶粒形成电位差，产生晶间腐蚀。
（4）电化学腐蚀的前提是电位差，材料有电位差形成，缺少电子转移的载体，腐蚀不会发生，只有同时存在导电载体，腐蚀才发生。纯水溶入盐之后，形成导电解质，如海水中含有NaCl，潮湿空气中溶入CO2、SO2、NOx之后，都会成为导电介质，通过导电介质的传递，电极电位低的材料失去电子，电极电位高的材料得到电子，周而复始，腐蚀不断进行，最终导致弹簧腐蚀失效。
综上论述，金属发生腐蚀必须同时存在二个条件：①材料内部或者两种材料之间，存在高与低两种不同电位，形成电位差；②存在有转移电子功能的载体——导电介质。二个条件同时满足，不同电位形成电流回路，原理和干电池完全相同，只是电流相对微弱，这种现象称为微电池效应。只要阻断其中任何一个环节，就能达到抑制腐蚀的目的。
三．弹簧材料金相组织和杂质引起的全面腐蚀
弹簧钢属于铁——碳类合金，室温金相组织为铁素体（F）+珠光体（P），同时存在硫磷杂质和非金属夹杂物。珠光体中的渗碳体和杂质元素以及夹杂物，电极电位高于铁，在可导电的潮湿空气中即可发生微电池效应，铁（铁素体）失去电子，渗碳体和杂质得到电子，电子转移现象持续发生，宏观上表现出弹簧被腐蚀——“生锈”。弹簧“生锈”过程由于环境介质不同会产生两种类型的化学反应：
1.析氢腐蚀：弹簧表面吸附水膜，水膜中溶解有CO2、SO2、NO2等酸性物质，酸性较强时，弹簧中的铁（F）成为化学反应中的阳极，失去电子，而渗碳体和杂质元素作为阴极得到电子，反应过程有氢气放出，Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑，称为析氢腐蚀。
2.吸氧腐蚀：弹簧表面吸附水膜且水膜中酸性较弱时，弹簧中的铁（F）成为化学反应中的阳极，失去电子，而渗碳体和杂质元素作为阴极得到电子，反应结果空气中氧被消耗2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2称之为吸氧腐蚀。
四．弹簧服役环境引起的局部腐蚀
1．电偶腐蚀：
（1）．弹簧与其他材料直接接触，且与弹簧安装在一起的材料电极电位高于弹簧，如弹簧与不锈钢或者铜合金安装在一起，由于两种材料的电位不同所发生的腐蚀称为电偶腐蚀。
图二 电偶腐蚀
（2）电偶腐蚀的防止：
a.与弹簧直接接触的材料的电极电位尽量与弹簧材料接近，一般要求小于50mV。军事用途的重要弹簧与接触的材料之间的电位差小于25mV。
b.采用合理的表面保护技术，使弹簧与其他金属形成隔离，常用的表面防护技术有热涂锌钢丝、达克罗（锌铝合金）涂覆、阴极电泳、表面静电涂装。
c.弹簧与其他相接触的材料之间安装绝缘衬垫。
2.点腐蚀：弹簧表面大部分部位显示不出腐蚀或者腐蚀轻微，只是在弹簧表面个别区域出现麻点、小孔。随着时间推移，孔穴不断加深，出现孔状腐蚀坑，这种现象称为点腐蚀。点腐蚀是一种危害性很大的腐蚀，图三为不同形状的点腐蚀
图三 不同形态的点腐蚀
点腐蚀存在孕育（萌生）和发展两个阶段，孕育（或诱导）期长短不。点蚀是一种破坏性和隐蔽性很大的局部腐蚀，很难预测，同时，点腐蚀常常又是弹簧发生应力腐蚀的裂纹萌生源。
材料成份对抗点腐蚀能力影响 ：金属成份对点腐蚀敏感性有着重要的影响，具有自钝化特性的金属或合金（如18-8奥氏体不锈钢）对点蚀的敏感性较高，18-8型不锈钢材料制造的弹簧在含有氯化物的介质中使用，很容易发生点腐蚀。如果加入或者提高抗点腐蚀有益元素：Cr和Mo，能提高抗点腐蚀能力，例如牌号为316的不锈钢，由于在材料中增加了Mo，元素，它的抗点腐蚀能力明显优于304不锈钢。
3．缝隙腐蚀：弹簧材料表面与其它材料之间存在狭缝或间隙，腐蚀介质的扩散受到很大限止，导致狭缝内腐蚀加速的现象称为缝隙腐蚀。缝隙腐蚀的根本原因在于缝隙内局部先发生吸氧腐蚀，由于缝隙内相对闭塞，腐蚀物不易扩散，缺氧之后，氧又无法进入补充，形成闭塞电池效应。缝隙腐蚀的狭缝，间隙大小必须满足腐蚀物能够进入，又滞留其中不易扩散的条件，弹簧与相邻零件之间存在0.05~0.15间隙时容易发生缝隙腐蚀，如弹簧的端圈、多片碟形弹簧相叠使用以及它们与座、芯棒之间存在一定的间隙，就可能引起缝隙腐蚀。缝隙腐蚀的特征：
（1）不论是同种或异种材料的接触，还是弹簧与非金属（如塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等）之间接触，只要存在满足引起缝隙腐蚀的狭缝和腐蚀介质，都要会发生缝隙腐蚀。
（2）腐蚀介质（包括淡水）都能引起缝隙腐蚀。
（3）遭受缝隙腐蚀的弹簧表面，既可表现为全面腐蚀，也可表现为点腐蚀的形态。
（4）缝隙腐蚀会导致弹簧局部应力集中、强度降低，承载能力下降。
（5）．缝隙腐蚀的影响因素
a缝隙的几何因素： 缝隙的几何形状、宽度和深度以及缝隙内外面积比等，缝隙宽度为0.10～0.12mm时，腐蚀深度******。
b环境因素：影响缝隙腐蚀的环境因素包括溶液中的溶解氧量、电解质溶液的流速、温度、pH值和Cl－浓度等。
c材料因素： 合金成分对缝隙腐蚀有重要影响，对于不锈钢材料，Cr、Ni、Mo、Cu、Si、N等元素对提高其抗缝隙腐蚀是有效的。
(6)．缝隙腐蚀的控制措施 ：
a合理设计： 弹簧的安装位置间隙不宜过小，一般间隙达到0.5左右，就能满足腐蚀产物扩散，氧得以进入的条件，从而可以避免缝隙腐蚀。此外弹簧的端面平整尽可能避免造成缝隙，安装弹簧的位置尽可能不使用盲孔，以避免腐蚀介质滞留在孔中，避免发生闭塞电池效应。
b合理选择耐蚀性材料 选择合适的耐缝隙腐蚀弹簧材料是控制缝隙腐蚀的有效方法之一，含Cr、Mo、Ni、N量较高的不锈钢和镍基合金，钛及钛合金、某些铜合金等具有较好的抗缝隙腐蚀性能。
c采取电化学保护措施
（7）.特殊形式的缝隙腐蚀——丝状腐蚀是一种特殊形式的缝隙腐蚀，发生在处于一定湿度大气环境中有涂层保护的弹簧钢材料表面，腐蚀形态呈细丝状。丝状腐蚀多发生在漆膜与弹簧基体表面之间的缝隙处，又称为膜下腐蚀。丝状腐蚀的特征 在涂层下的金属表面，使金属表面上的涂层出现无明显损伤的隆起，悬架弹簧磷化之后没有烘干进行喷涂，就可能引起丝状腐蚀，弹簧涂层表面存在气孔也能引起丝状腐蚀。
4.晶间腐蚀 ：晶间腐蚀是金属在适宜的腐蚀环境中沿着或紧挨着材料的晶粒间界发生和发展的局部腐蚀破坏形态。晶间腐蚀从金属材料表面开始，沿着晶界向内部发展，使晶粒间的结合力大大丧失，以致材料的强度几乎完全消失。晶间腐蚀的预防：
图四 晶间腐蚀
（1）碳是造成晶间腐蚀的主要元素，选择晶间腐蚀倾向低的低碳、超低碳不锈钢材料制造弹簧。
（2）选择含有强碳化物成分的不锈钢制造弹簧：加入钛、铌等与碳的亲和力比铬更强的元素，使材料中C优先与Ti、Nb结合，形成TiC、NbC，减少奥氏体不锈钢中原先可能与铬结合的含碳量。
（3）避免奥氏体不锈钢材料制造的弹簧在敏化温度区域（450～850℃）下使用。
5..应力腐蚀（SCC）：应力腐蚀由残余应力和外加应力在腐蚀联合作用产生的弹簧失效过程。冷卷弹簧在卷簧消除应力之后，残留应力没有彻底消除，存在残余拉应力，与弹簧在服役过程拉应力叠加，在腐蚀介质作用下容易诱发应力腐蚀。应力腐蚀机理：
（1）钝化膜破坏：弹簧在应力和腐蚀介质共同作用下，在应力集中区或弹簧材料缺陷处位错启动，产生挤压，弹簧材料表面的钝化膜被破坏，露出新鲜表面，从而产生应力腐蚀。
（2）氢脆理论：弹簧受到腐蚀介质作用，存在析氢反应，氢析出集中于裂纹尖端向金属内部扩展，从而形成氢脆。
（3）吸附理论：腐蚀介质吸附在弹簧表面，削弱材料原子间结合力。
（4）裂纹尖端体积效应：腐蚀介质堆集在裂纹尖端形成楔状物楔入，裂纹内出现闭塞电池效应而使腐蚀加速（类似于缝隙腐蚀）。
（5）应力腐蚀带有一定的选择性：每种弹簧材料的应力腐蚀开裂对某些特别介质敏感。 一般认为纯金属不易发生应力腐蚀开裂，合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。
图五 硫化氢造成的应力腐蚀
（6）．应力腐蚀开裂控制和预防：应力腐蚀涉及到环境介质，应力，材料三个方面，因此防止应力腐蚀也应从这三方面入手。
a合理地选择弹簧设计应力：高应力、轻量化设计的弹簧而言， 工艺上要注重防止应力腐蚀风险，卷簧后减少残余拉应力，如进行SOFE处理。
b通过热处理尽量减少弹簧残留应力：冷卷弹簧成形之后存在很大的残留应力，冷卷弹簧成形后残余应力可达+800MPA以上，消除应力回火的温度与保温时间足够，悬架弹簧采用快速回火工艺，残余应力消除不够，可以用热压和热喷丸工艺弥补快速回火残余应力消除不足。
c减少应力集中，弹簧制造过程尽量防止弹簧表面损伤。
d不同材料对腐蚀介质的敏感性不同，合理选择材，选择与所接触介质有一定应力腐蚀抗力的材料来制造弹簧。
e涂层保护：如环氧树脂、聚氨酯涂层，阴极电泳，使金属表面和环境隔离开，避免由于腐蚀介质侵入在应力联合作用下产生应力腐蚀。
三．氢脆与腐蚀疲劳
1.氢脆：弹簧氢脆通常表现为的延迟断裂，如果追溯弹簧的生产工艺，会发现曾经有酸洗或者电镀的过程，在含有氢气氛工作的弹簧也会发生氢脆，氢脆好发于常温。
（1）氢脆是一种延滞性断裂，通常弹簧在酸洗和电镀之后，氢脆并不立即发生，因为氢进入弹簧材料之后有一个聚集过程，这一过程的长短与酸或电镀液的浓度和接触时间有关，最短几小时，大都要经历数天或者数月之后才出现氢脆。
（2）氢脆弹簧的脆性远超应力腐蚀，严重氢脆弹簧在储存期间会自动爆裂，弹簧落地即碎成数节，已经发生氢脆的弹簧只能报废，无法返工。
（3）氢脆的断口形貌与应力腐蚀相当类似，均呈现出冰糖状脆性断口。应力腐蚀在裂源附近总可以找到腐蚀产物，而氢脆缺少这方面的现象。
图六 钢的氢脆图片
2．氢脆机理：
（1）氢压模型说：氢原子渗入钢之后形成氢分子发生聚集，当氢分子聚集到一定程度时，形成氢气泡，对周围组织产生压力，材料被气泡爆裂。
（2）氢与过渡族元素D层原子发生交互作用，削弱原子结合力。
（3）氢聚集于位错缺陷处，与位错发生交互作用。
（4）偏聚于晶界的杂质元素吸附氢，削弱晶界。
3．氢脆的裂纹特性：弹簧发生氢脆，一般会断成数节，肉眼可以看到断口雪花状反光，氢脆断口电镜下呈现解理断裂花样。
4．氢脆的防止：
（1）氢脆的根本原因是弹簧在生产或者服役过程与氢接触，因此弹簧生产过程禁止使用酸洗清除表面污垢，如果必须要清理使用喷丸方法。
（2）对于不能避免的电镀，必须在涂后立即进行去氢处理，去氢处理最迟要在一小时之内进行，去氢处理温度200~220℃，时间视弹簧线径或片厚，最少不低于二小时，一般应在四小时或者更长。
5．腐蚀疲劳：弹簧在交变应力和腐蚀介质的共同作用下发生的疲劳失效称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳是高应力悬架弹簧的主要失效模式，当前悬架弹簧新材料开发和弹簧的表面防腐工艺都将防范腐蚀疲劳作为首先考虑的重点。
（1）．腐蚀疲劳特点：一般疲劳当应力降低到某一水平之后，S—N曲线呈现出水平状态，在此状态下的应力水平称为疲劳极限。腐蚀疲劳，不存在明显的疲劳极限，并且同样应力水平下的疲劳寿命远低于普通疲劳，如图七所示。
图七 普通疲劳和腐蚀疲劳与腐蚀疲劳Ｓ－Ｎ曲线
（2）．腐蚀疲劳发生机理：
a蚀孔—应力集中理论：认为腐蚀疲劳的疲劳源首先萌生于弹簧原来已经形成腐蚀孔的基础上，在交变应力作用下疲劳源被逐步撕开，在裂纹尖端应力集中进一步加剧的同时腐蚀作用也在加强，周而复始，弹簧很快进入失稳扩展期。
b表面膜破坏理论：认为弹簧在交变应力作用下，位错产生滑移，原来起保护作用的钝化膜被破坏，露出金属新鲜表面活性点形成阳极，在交变应力继续作用下，活性点越来越多，疲劳源开始萌生，应力集中随之加强，反过来又导致裂纹前端腐蚀加强，造成裂纹一步步被撕开，弹簧很快进入失稳扩展。
（3）．腐蚀疲劳的影响因素：
a交变载荷和频率：交变载荷增加，振幅加大寿命降低，振动频率对弹簧腐蚀疲劳寿命影响不大。
b材料表面状态：表面粗糙度越好，在同样腐蚀环境下，腐蚀疲劳寿命越高。
（4）应力腐蚀的预防：
a采用表面防护技术防止弹簧表面产生腐蚀孔是抑制腐蚀疲劳发生的关键，弹簧常用的防护手段如达克罗、静电喷涂、阴极电泳都能有效地对弹簧表面提供防护。
b提高弹簧表面粗糙度等级，如螺旋弹簧采用冷拔钢丝或经过磨光的银亮钢制造，片簧和碟形弹簧采用冷轧材制造.
c合理选择耐蚀性材料制造弹簧：弹簧选材上考虑选择在服役环境中抗腐蚀性能优异的材料，如高应力弹簧材料中加入Ni元素有利于提高腐蚀疲劳，适当降低材料的含碳量也是新研发材料考虑因素之一。
d减少应力集中：弹簧加工过程防止材料表面损伤
e选择高纯净度材料：高纯净度材料能提高材料抗腐蚀性能和减少夹杂物引起的应力集中。
f采用喷丸工艺或者氮化处理：弹簧经过喷丸产生的压应力，起到抵消一部分交变应力的作用。弹簧经过氮化处理表面形成压应力，有利于抵消弹簧工作中的交变应力，并且弹簧表面氮化层有一定的耐腐蚀作用。