汽车离合器弹簧作为高性能弹簧的典型代表，服役应力大于1000 MPa，疲劳寿命大于10⁷，这就要求弹簧材料具备极高的抗拉强度（≥2000 MPa）和卓越的抗疲劳性能。一般情况下，表面缺陷或非金属夹杂物是导致弹簧疲劳失效的主要原因，但这一观点不能解释所有失效情况。在工程实践中，也观察到与夹杂物和表面缺陷无关的高周或超高周疲劳断裂，这使得失效机制的研究变得更加复杂。对这种非常规疲劳失效机制的研究，是高性能弹簧开发的重要方向。

针对这一问题，本工作揭示了“非夹杂物引发疲劳断裂”的新机制，提出疲劳裂纹的起始由材料内部粗大马氏体板条的局部塑性变形引发。文章分析对象是2000 MPa级别的离合器弹簧，在1030 MPa应力下700万次后发生断裂（图1）。分析表明裂纹源位于弹簧亚表面，在一个蝴蝶形“Fish-eye”内部（图2a）。裂纹源位置可观察到解理面组成的台阶（图2b）。采用聚焦离子束切开后，结合二次电子和离子像（图2c-f），可以观察到大量晶粒内部的微裂纹，推测这些穿晶裂纹是生产疲劳源的原因。对裂纹源下端的弹簧微观组织分析表明（图3），金相可观察到较为粗大的白色亮块，SEM可观察到这些亮块为粗大的马氏体板条。在靠近裂纹源的位置，还可观察到在粗大板条内部的微小裂纹。由此判断，裂纹源的产生与粗大板条组织有关。本工作进一步证明，通过优化热处理工艺改进可细化晶粒尺寸和抑制粗大马氏体板条的形成，能够有效提高材料的疲劳寿命，从而解决了传统金属材料强度提升与疲劳抗性不足的矛盾。

这项研究为高强度钢材的疲劳失效提供了新机制，并提出了优化路径，对高性能弹簧的开发具有重要意义。相关工作以题为“Very high cycle fatigue fracture of a clutch spring caused by coarse martensitic microstructure”的文章发表在《Engineering Failure Analysis》上，论文通讯作者是广东省科学院骆智超副研究员和华南理工大学李烈军教授，第一作者是博士研究生欧阳健平，合作者还包括来自企业的技术专家。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2025.110288

相关论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105466；https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100749；

https://doi.org/10.1002/srin.202400483

图1. (a)离合器组件；(b)离合器弹簧失效分析；(c)失效弹簧信息

图2. 裂纹源的位置及其微观组织特征

图3.裂纹源下方的微观组织分析，在裂纹源附件可观察到粗大板条组织内存在细小的微裂纹

图4. (a) 裂纹源和解理面的演化示意图；(b) 典型的非金属夹杂物诱发的超高周疲劳断裂表面形貌