離合器踏板彈簧斷裂案例分析

摘要：材料為60Si2Mn鋼的離合器踏板彈簧，在零件供應(yīng)商做開發(fā)驗證時發(fā)生了斷裂。使用SEM、光學顯微鏡等實驗設(shè)備，對離合器踏板彈簧及其斷口進行宏觀、微觀斷裂形貌、金相組織等觀察，結(jié)合其使用工況對失效原因進行分析。結(jié)果表明：離合器踏板彈簧斷裂是由于彈簧表面缺陷引起了應(yīng)力集中，隨后在交變載荷下產(chǎn)生微裂紋，最后裂紋擴展至整個斷面引起彈簧失效。通過加強彈簧表面質(zhì)量的管理，控制表面缺陷，可以有效避免彈簧在使用過程中的斷裂。

關(guān)鍵詞：踏板彈簧；表面缺陷；疲勞斷裂

中圖分類號：U461收稿日期：2024-11-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.032

1前言

離合踏板作為手動變速箱車輛標志性的離合操縱結(jié)構(gòu)，其作用是將駕駛員的駕駛意圖傳遞至離合器，從而實現(xiàn)對車輛的控制。對于小汽車而言，一般采用機械式助力來幫助離合操作。機械式助力的主要助力部件通常采用彈簧，包括圓柱螺旋壓縮彈簧、圓柱螺旋扭彈簧等[1]，在實車中的安裝方式和位置如圖1所示。

某生產(chǎn)商的離合器踏板在開發(fā)階段進行產(chǎn)品耐久試驗時，發(fā)現(xiàn)未到達設(shè)定的次數(shù)便發(fā)生斷裂。為了幫助其找到原因，防止量產(chǎn)后的彈簧繼續(xù)斷裂，筆者所在公司對失效件的斷口進行了宏觀、微觀分析，對失效件不同的位置進行了金相確認，得出其失效模式。而彈簧的主要工藝是卷簧和熱處理，通過失效模式結(jié)合具體實施工藝可以推測出其失效的原因。

2斷裂形貌分析

本離合器踏板彈簧的樣式如圖2所示，為圓柱螺旋扭簧，鋼絲直徑為2.9mm，紅色圓圈標注區(qū)域為斷裂位置。本彈簧選用材料為60Si2Mn，是一種廣泛使用的硅錳彈簧鋼，表1為該材料的化學成分，各元素均符合GB/T1222—2016[2]對60Si2Mn成分的技術(shù)要求。將失效件用酒精進行超聲波清洗，保證斷口表面無污染物，然后使用光學顯微鏡（型號VHX-600）和SEM（型號JSM-6380LA）對斷口進行宏觀形貌和微觀形貌的觀察。

2.1失效件宏觀觀察

彈簧宏觀斷口形貌如圖3所示，黑色圈內(nèi)部分的斷口比較平坦；黑色圈以外的斷面兩側(cè)，有兩個約45°的剪切唇。黑色圈內(nèi)的斷口是先斷裂部分，黑色圈以外的斷口是后斷裂部分，并且在兩個剪切唇對應(yīng)的中部平面是裂紋擴展區(qū)域，該區(qū)域下應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)，所以兩側(cè)形成剪切唇。根據(jù)上述推斷，可將斷面分為a、b、c三個區(qū)域，a區(qū)是首先產(chǎn)生裂紋的源區(qū)，b是裂紋擴展區(qū)，c是最后的瞬斷區(qū)。此外對失效件外表面進行放大觀察，發(fā)現(xiàn)其表面有很多麻點狀的凹坑，整個表面狀態(tài)比較差。

2.2斷口微觀觀察

把斷面放在掃描電鏡下觀察，將起源圖3（a）區(qū)域放大后在圖4a可以看到，靠近外表面的位置形貌較平坦，并且有呈放射狀的河流花樣，根據(jù)放射條紋收斂的方向，裂紋起源指向彈簧表面附近，如黑框內(nèi)區(qū)域。在源區(qū)對應(yīng)的彈簧外表面，發(fā)現(xiàn)有部分凹坑，在圖4b白色框內(nèi)區(qū)域，對凹坑的尺寸進行測量，凹坑寬約170μm、深約24μm。

對源區(qū)的圖3中a區(qū)域再進行放大觀察，由斷面源區(qū)指向斷面中心的方向逐步觀察，圖5a是2500倍下源區(qū)附近的形貌，可以發(fā)現(xiàn)源區(qū)有大量的疲勞條帶。同時在疲勞裂紋上的間隙較大，說明是在較高的應(yīng)力強度因子幅上形成的疲勞條帶，根據(jù)其疲勞形貌可以判斷屬于典型晶體學延性疲勞條帶。根據(jù)宏觀形貌，在擴展區(qū)并沒有典型的疲勞弧線，有可能是大應(yīng)力低周疲勞，與上述的高應(yīng)力疲勞因子幅對應(yīng)[3]。該踏板彈簧在源區(qū)產(chǎn)生微裂紋，隨后以疲勞的形式進行擴展，最終發(fā)生斷裂，所以該踏板彈簧是疲勞斷裂。

對瞬斷區(qū)圖3的c區(qū)域在2500倍下觀察，圖5b是放大后的形貌。該區(qū)域表面起伏較大，是典型的韌窩形貌，韌窩形狀規(guī)整，大小較均勻，以等軸韌窩為主，說明該區(qū)域在斷裂時主要受正應(yīng)力作用。瞬斷區(qū)占整個斷面的一小部分，并且在整個斷面的邊緣位置。

3顯微組織

為了排除材料本身及熱處理工藝對零件性能的影響，對彈簧的斷面進行金相組織觀察。選取靠近和遠離斷口（離斷口約15mm位置）的縱斷面進行試驗。將試樣進行制樣、打磨、拋光，然后使用激光顯微鏡（型號OLS4100）對拋光好的斷口試樣進行低倍觀察。如圖6所示，材料斷口處沒有發(fā)現(xiàn)可見的異常情況，并且材料內(nèi)部沒有夾雜或其他內(nèi)部缺陷。

對已拋光好的試樣用3%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，然后再使用激光顯微鏡（型號OLS4100）對組織進行觀察，彈簧縱截面的金相組織如圖7、圖8、圖9所示，可看出斷口處與遠離斷口處（離斷口約15mm位置）的金相組織都是回火索氏體[4]，組織上無差異并且無脫碳現(xiàn)象，可以排除因熱處理不均勻造成的性能差異。

4分析與討論

斷裂是彈簧常見的損壞形式，總結(jié)彈簧斷裂的失效原因主要有以下幾個方面；a.實驗方法或使用安裝使用不當，造成過載等現(xiàn)象；b.加工不良，因生產(chǎn)工藝而導(dǎo)致表面受損或者尺寸誤差過大等；c.因材料內(nèi)部缺陷或熱處理工藝有誤導(dǎo)致的性能下降[5]。

該離合踏板彈簧是在做綜合耐久路試試驗時發(fā)生斷裂，在實驗過程中離合器踏板彈簧會受到踏入方向動作加載力，踏入反方向動作加載力，經(jīng)確認實驗方法及實施過程沒有異常，不屬于過載而導(dǎo)致的斷裂。

通過對斷口及零件的宏觀觀察可知，從斷口可以明顯看出源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。斷口源區(qū)在斷面的邊緣，彈簧整個外表面有大量凹坑，整體表面質(zhì)量較差。使用掃描電鏡對斷口源區(qū)觀察，發(fā)現(xiàn)有大量疲勞條帶，所以彈簧斷裂是疲勞斷裂形式。

在瞬斷區(qū)是典型的韌窩結(jié)構(gòu)，且占整個斷面面積較少。源區(qū)對應(yīng)的外表面有凹坑，凹坑寬約170μm、深約24μm。為了把握材料質(zhì)量，對失效件進行拋光后低倍觀察，發(fā)現(xiàn)在斷口附近材料沒有夾雜或其他缺陷。再進行腐蝕觀察金相，緊靠斷口處與遠離斷口處（離斷口15mm）的金相組織都是回火索氏體，兩者的組織無差異，且沒有脫碳或滲碳現(xiàn)象，在熱處理工藝處沒有異常。

綜上所述，實驗過程沒有異常，材料本身也沒有異常，失效模式是疲勞斷裂，誘因是在源區(qū)有一定尺寸的凹坑，該凹坑在實驗過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋隨后擴展致失效。經(jīng)過與供應(yīng)商對加工工藝進行確認，發(fā)現(xiàn)凹坑是在卷簧過程中對鋼絲表面造成的損傷。

5結(jié)語

彈簧的主要損壞形式表現(xiàn)為疲勞斷裂，彈簧斷裂起源于線材表面凹坑處。在交變力的加載下因為應(yīng)力集中而產(chǎn)生斷裂，屬于加工不良導(dǎo)致。建議彈簧廠家在彈簧加工過程中改善工藝，減少凹坑的產(chǎn)生，同時控制表面凹坑的深度和數(shù)量，防止不良品流出。本文的結(jié)論得到了設(shè)計部門和離合器踏板彈簧供應(yīng)商的認可。

根據(jù)本次失效分析的結(jié)論，供應(yīng)商在表面品質(zhì)管控過程增加表面缺陷檢測標準，要求表面缺陷深度不超過彈簧鋼絲公稱直徑的0.5%。對離合器踏板彈簧再次進行評價試驗，驗證結(jié)果合格，同時在車輛上市兩年后再未出現(xiàn)踏板彈簧斷裂事故。

參考文獻：

[1]黃從奎，楊允輝，喻少高.扭轉(zhuǎn)彈簧在助力式離合踏板中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2015（12）：108-111.

[2]中國國家標準化管理委員會.GB/T1222—2016彈簧鋼[S].北京：中國標準出版社，2017.

[3]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社2004.

[4]李雪峰，王春芬，王嘉敏，等.回火馬氏體與回火索氏體辨析[J].熱處理，2012，27（4）：12-16.

[5]趙佳奇.汽車螺旋彈簧的失效分析[C]//中國汽車工程學會材料分會第十屆理化檢測、失效分析學術(shù)交流會論文集，2011：32-35.

作者簡介：

周凱，男，1990年生，助理工程師，研究方向為金屬材料開發(fā)及實驗評價。