记录号：JS-AL-其它-007
18×64 I型联接环开裂原因分析
摘要：某18×64 I型联接环，材料为23MnVB钢，联接环是由Φ55的圆钢经锻造加工而成，该批联接环成品检查中发现大量开裂件，通过裂纹剖面分析、断口分析及材料的组织分析，结果表明：联接环中段的纵向裂纹产生于余热淬火过程，余热淬火造成的应力过大是导致裂纹的主要原因。

严格控制余热淬火温度，降低冷却速度可以降低余热淬火在组织中产生的应力，降低试件淬裂倾向。

关键词：18×64 I型联接环；裂纹；余热淬火；淬火应力
材料种类/牌号：合金钢/23MnVB
概述
某18×64 I型联接环，材料为23MnVB钢，联接环是由Φ55的圆钢经锻造加工而成，具体加工工艺过程如下：
剪床下料（Φ55×10mm圆钢）—加热（炉温1300℃,坯料温度1150℃～1250℃，保温时间10～15分钟）—锻造（制坯始锻温度1250℃；终锻成形，终锻温度1100℃）—切边（始切温度1100℃～终切1000℃，切边时温度高于700℃）—冲孔（始冲温度1000℃～终冲700℃，冲孔时温度高于700℃）—余热淬火。

联接环成形后进行热处理，热处理工艺为：正火900℃×120min；淬火900℃×120min；低温回火230℃×240min。

该批联接环成品检查中发现大量开裂件，肉眼可以看见张开的裂纹，裂纹位置不同，但主要为纵向裂纹。

如图1是联接环的形状和裂纹的形态之一，裂纹呈两侧对称分布。

图2
是另一类裂纹的形态，裂纹位于中段，该图是从裂纹的中段沿横截面将联接环截断所看到的裂纹形态，测量出该裂纹的最大深度超过12mm。

图1 连接环的形状和裂纹的形态之一
本工作所分析的裂纹为图2所示联接环中的裂纹，分析了造成该联接环发生开裂的工艺
因素和材料因素。

图2 连接环中裂纹的形态之二及剖面形态
测试过程与结果
裂纹剖面分析
裂纹的位置和宏观形态如图2，裂纹位于联接环中段较粗的截面区域，基本呈直线状，且关于联接环结构中段对称分布。

裂纹中部开口很宽，两端渐细，从剖面观察，裂纹呈薄楔形垂直表面向内扩展。

裂纹中段横剖面的低倍组织形态：呈薄楔形的裂纹垂直表面穿过模锻形成的带状组织，扩展深度约12mm。

裂纹的开口很宽，是从表面向内扩展的。

这些特征表明，裂纹产生于模锻成型后的冷却过程，冷却过程中表面的拉应力较大，形成较宽的裂口。

观察裂纹附近的显微组织看到，裂纹两侧直至尖端处的组织都有严重脱碳，裂纹没有分叉，如图3和图4，脱碳区组织主要为铁素体，基体组织为回火马氏体。

显然，联接环中裂纹形成后又经过了加热到奥氏体化温度以上的热处理过程，因此裂纹附近组织出现脱碳。

有由于裂纹的尖端处组织亦已脱碳，表明在最后的淬火冷却过程中裂纹没有进一步扩展。

图3 裂纹尖端形态和脱碳区组织 图4 裂纹口部脱碳区组织
在高倍下用SEM分析裂纹附近的组织和氧化物形态，如图5和图6，裂纹附近的铁素体
组织晶界上出现细粒状含Si、Mn的氧化物，这些氧化物是在高温加热过程中经扩散氧化形
成的，其中易氧化的合金元素Si、Mn也发生了一定距离的扩散，这是在奥氏体相区以上温
度较长时间加热的结果。

图 5 裂纹尖端形态和脱碳区组织 图6裂纹口部脱碳区组织
裂纹剖面分析结果表明，所分析联接环中的裂纹产生于模锻成型后的冷却过程，裂纹形
成后试样被加热到奥氏体化温度以上进行热处理，因此裂纹附近组织出现严重的氧化脱碳。

但是，在最后的淬火冷却过程中裂纹没有进一步扩展，由此看来加热到900°后淬火不会产
生严重不良的组织应力和热应力，导致淬火裂纹。

断口分析
将裂纹起开，观察断口，如图7和图8，裂纹断口面很平坦，已严重氧化，已经不能看
出断口的原始形态。

微观上的较平坦断口意味着原始断口可能是以穿晶解理断口为主，裂纹
没有微观分叉，说明出现裂纹时组织没有明显的过热或火烧问题。

符合冷却过程温差应力造
成的裂纹的特征。

用EDS在断面上分析未见有明显的夹杂物集中分布的现象，看来裂纹的产
生与圆钢的原始夹杂类缺陷没有直接关系。

图7 裂纹面断口的形态图 图8 人工断口的形态，解理断口
材料的组织分析
圆钢横截面中心疏松1级，锭型偏析2级。

成品件裂纹位置横截面较明显的偏析带流线分布于中部，裂纹穿过流线。

垂直裂纹的纵剖面低倍组织未见明显的偏析和带状组织。

成品件的显微组织形态如图9和图10，为正常的回火马氏体组织。

图9 成品件的显微组织形态 图10 成品件的高倍显微组织形态
讨论
上述分析表明，所分析联接环中的裂纹与模锻组织流线相交，是产生于模锻成型后的冷却过程。

裂纹形成后试样又被加热到奥氏体化温度以上进行热处理，因此裂纹附近组织出现严重的氧化脱碳。

但是，在最后的淬火冷却过程中裂纹没有进一步扩展，可见，该试件加热到900°后淬火不会导致淬火裂纹，相应的，冷却速度较慢的正火处理导致裂纹的可能性应该更小。

而显微分析见到，裂纹两侧金属组织发生了严重的扩散型氧化，是在奥氏体化温度以上长时间氧化的结果。

因此可以断定，裂纹产生于联接环成型之后，正火和淬火热处理之前。

又从裂纹的形态来看，是一种冷却过程的应力裂纹，由此判断裂纹是产生于余热淬火过程或之后，余热淬火应力过大是导致该试件产生裂纹的主要因素。

严格控制余热淬火温度，降低冷却速度可以降低余热淬火在组织中产生的应力，降低淬裂倾向。

锭型偏析对淬火应力分布状态又一定的不利影响。

结论和建议
联接环中段的纵向裂纹产生于余热淬火过程，余热淬火造成的应力过大是导致裂纹的主要原因。

严格控制余热淬火温度，降低冷却速度可以降低余热淬火在组织中产生的应力，降低试件淬裂倾向。

主要分析人员及单位
朱衍勇 教授级高工 钢铁研究总院
董毅 工程师 钢铁研究总院
资料整理人：王冬梅 国家钢铁材料测试中心 审核人： 吴伯群 国家钢铁材料测试中心。