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(kāi)發(fā)驗(yàn)證時(shí)發(fā)生了斷裂。使用SEM、光學(xué)顯微鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)離合器踏板彈簧及其斷口進(jìn)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(duì)失效原因進(jìn)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(kuò)展至整個(gè)斷面引起彈簧失效。通過(guò)加強(qiáng)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(guò)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(hào)：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(dòng)變速箱車輛標(biāo)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(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制。對(duì)于小汽車而言，一般采用機(jī)械式助力來(lái)幫助離合操作。機(jī)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(shí)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(kāi)發(fā)階段進(jìn)行產(chǎn)品耐久試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)未到達(dá)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(duì)失效件的斷口進(jìn)行了宏觀、微觀分析，對(duì)失效件不同的位置進(jìn)行了金相確認(rèn)，得出其失效模式。而彈簧的主要工藝是卷簧和熱處理，通過(guò)失效模式結(jié)合具體實(shí)施工藝可以推測(cè)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(biāo)注區(qū)域?yàn)閿嗔盐恢谩１緩椈蛇x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(xué)成分，各元素均符合GB/T1222—2016[2]對(duì)60Si2Mn成分的技術(shù)要求。將失效件用酒精進(jìn)行超聲波清洗，保證斷口表面無(wú)污染物，然后使用光學(xué)顯微鏡（型號(hào)VHX-600）和SEM（型號(hào)JSM-6380LA）對(duì)斷口進(jìn)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(gè)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(gè)剪切唇對(duì)應(yīng)的中部平面是裂紋擴(kuò)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(gè)區(qū)域，a區(qū)是首先產(chǎn)生裂紋的源區(qū)，b是裂紋擴(kuò)展區(qū)，c是最后的瞬斷區(qū)。此外對(duì)失效件外表面進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)其表面有很多麻點(diǎn)狀的凹坑，整個(gè)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(duì)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(duì)凹坑的尺寸進(jìn)行測(cè)量，凹坑寬約170μm、深約24μm。

對(duì)源區(qū)的圖3中a區(qū)域再進(jìn)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(shí)在疲勞裂紋上的間隙較大，說(shuō)明是在較高的應(yīng)力強(qiáng)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(xué)延性疲勞條帶。根據(jù)宏觀形貌，在擴(kuò)展區(qū)并沒(méi)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(duì)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(jìn)行擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂，所以該踏板彈簧是疲勞斷裂。

對(duì)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(shuō)明該區(qū)域在斷裂時(shí)主要受正應(yīng)力作用。瞬斷區(qū)占整個(gè)斷面的一小部分，并且在整個(gè)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(duì)零件性能的影響，對(duì)彈簧的斷面進(jìn)行金相組織觀察。選取靠近和遠(yuǎn)離斷口（離斷口約15mm位置）的縱斷面進(jìn)行試驗(yàn)。將試樣進(jìn)行制樣、打磨、拋光，然后使用激光顯微鏡（型號(hào)OLS4100）對(duì)拋光好的斷口試樣進(jìn)行低倍觀察。如圖6所示，材料斷口處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的異常情況，并且材料內(nèi)部沒(méi)有夾雜或其他內(nèi)部缺陷。

對(duì)已拋光好的試樣用3%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，然后再使用激光顯微鏡（型號(hào)OLS4100）對(duì)組織進(jìn)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(yuǎn)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(wú)差異并且無(wú)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(jiàn)的損壞形式，總結(jié)彈簧斷裂的失效原因主要有以下幾個(gè)方面；a.實(shí)驗(yàn)方法或使用安裝使用不當(dāng)，造成過(guò)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(guò)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(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中離合器踏板彈簧會(huì)受到踏入方向動(dòng)作加載力，踏入反方向動(dòng)作加載力，經(jīng)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)施過(guò)程沒(méi)有異常，不屬于過(guò)載而導(dǎo)致的斷裂。

通過(guò)對(duì)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(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。斷口源區(qū)在斷面的邊緣，彈簧整個(gè)外表面有大量凹坑，整體表面質(zhì)量較差。使用掃描電鏡對(duì)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(gè)斷面面積較少。源區(qū)對(duì)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(duì)失效件進(jìn)行拋光后低倍觀察，發(fā)現(xiàn)在斷口附近材料沒(méi)有夾雜或其他缺陷。再進(jìn)行腐蝕觀察金相，緊靠斷口處與遠(yuǎn)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(wú)差異，且沒(méi)有脫碳或滲碳現(xiàn)象，在熱處理工藝處沒(méi)有異常。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有異常，材料本身也沒(méi)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(kuò)展致失效。經(jīng)過(guò)與供應(yīng)商對(duì)加工工藝進(jìn)行確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)凹坑是在卷簧過(guò)程中對(duì)鋼絲表面造成的損傷。

5結(jié)語(yǔ)

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?yàn)閼?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(guò)程中改善工藝，減少凹坑的產(chǎn)生，同時(shí)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(jì)部門和離合器踏板彈簧供應(yīng)商的認(rèn)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(guò)程增加表面缺陷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，要求表面缺陷深度不超過(guò)彈簧鋼絲公稱直徑的0.5%。對(duì)離合器踏板彈簧再次進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果合格，同時(shí)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(xiàn)：

[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(shí)用技術(shù)，2015（12）：108-111.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T1222—2016彈簧鋼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[3]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國(guó)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(guó)汽車工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)第十屆理化檢測(cè)、失效分析學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2011：32-35.

作者簡(jiǎn)介：

周凱，男，1990年生，助理工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧祥_(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。