文章编号：1671-7872(2023)01-0030-06
汽车连杆用棒材44SMn28裂纹分析
方 强1 ，李师伟2a ，丁 敬1 ，于 良1 ，陈 健1 ，潘红波2a ，沈晓辉
2b
( 1. 马鞍山钢铁股份有限公司 特钢公司, 安徽 马鞍山 243003；2. 安徽工业大学 a. 冶金工程与资源综合利用
安徽省重点实验室， b. 冶金工程学院, 安徽 马鞍山 243032)
摘要：针对汽车连杆用棒材44SMn28在生产中表面与内部裂纹频繁出现，基于低倍酸洗、光学显微观察、扫描电镜观察与能谱分析相结合的手段，对扒皮与黑皮44SMn28轧材的裂纹进行观察，对其中硫化物的析出、形貌、分布及其对裂纹产生的机理进行研究。结果表明：钢中存在大量的MnS 夹杂物，尺寸在几百纳米到几百微米之间，成粒状、纺锤状或条带状分布于晶内与晶界；条带状硫化物是钢中裂纹产生的主要原因，其各向异性显著降低材料的横向机械性能，导致钢材在应力作用下沿其界面萌生裂纹；裂纹内部还存在大量氧化物，在氧化物与基体之间存在大量FeS ，在热应力与机械应力作用下极易引起钢材开裂。与扒皮轧材相比，黑皮轧材表面裂纹显著减少、裂纹深度较浅，但在低温变形情况下轧材内
部裂纹更易沿晶界扩展。
关键词：连杆；44SMn28钢；夹杂物；裂纹
中图分类号：TG 142.31 文献标志码：A doi ：
10.12415/j.issn.1671−7872.22251
Crack Analysis of 44SMn28 Steel Bar for Automobile Connecting Rod
FANG Qiang 1
汽车连杆, LI Shiwei 2a
, DING Jing 1
, YU Liang 1
, CHEN Jian 1
, PAN Hongbo 2a
, SHEN Xiaohui
2b
(1. Special Steel Corporation, Maanshan Iron and Steel Co., Ltd, Maanshan 243003, China; 2. a. Anhui Province Key Laboratory of Metallurgical Engineering and Resources Recycling, b. School of Metallurgical Engineering,
Anhui University of Technology, Maanshan 243032, China)
Abstract ：In view of the frequent appearance of surface and internal cracks in the production of automobile connecting rod steel 44SMn28, based on the combination of pickling macro-detection, optical microscope, scanning electron microscope observation and energy dispersive spectroscopy analysis, the cracks of 44SMn28 rolled bar for peeling billet and black rolled billet were observed, and the precipitation, morphology, distribution of sulfide and the crack generation mechanism were also studied. The results show that there are a large number of MnS inclusions in the steel, ranging from hundreds of nanometers to hundreds of micrometers in size, distributed in granular, spindle or strip shape within the grain and grain boundaries. Banded sulfide is the main cause of cracks in steel, and its anisotropy significantly reduces the transverse mechanical properties of the materials, resulting in the initiation of cracks along its interface under stress. There is also a lot of oxide in the crack, and there is a lot of FeS between the oxides and the matrix, which is peculiarly prone to cause steel cracking under the action of thermal stress and mechanical stress. Compared with the peeled rolling materials, the surface cracks of the black rolled materials are significantly reduced, the crack depth is shallow. Moreover, the internal cracks of rolled materials are more likely to
收稿日期：2022-10-09
基金项目：安徽省科技重大专项(180****1085)；安徽省自然科学基金项目(1708085ME116)
作者简介：方强(1994—)，男，安徽芜湖人，助理工程师，主要研究方向为特钢新产品与新工艺开发。
通信作者：潘红波(1978—)，男，安徽宿松人，博士，教授，主要研究方向为先进高强钢强韧化及控轧控冷技术。
引文格式：方强，李师伟，丁敬，等. 汽车连杆用棒材44SMn28裂纹分析[J]. 安徽工业大学学报(自然科学版)，2023，40(1):30-35.
Vol. 40 No. 1安徽工业大学学报 (自然科学版)
第40卷 第1期January 2023
J. of Anhui University of Technology ( Natural Science)
2023年 1月
propagate along the grain boundary in the case of low temperature deformation.Keywords ：connecting rod; 44SMn28 steel; inclusion; crack
连杆，作为汽车发动机的重要组成部件之一，连接着活塞与曲轴，可将活塞重复直线运动中产生的动能传递到曲轴部分使曲轴产生旋转，从而使汽油燃烧产生的热能转化为发动机输出的机械能[1]
。连杆在工作中承受着周期性的高冲击力、压缩力、弯曲力及交互疲劳载荷的作用，要求连杆用钢具有良好的强韧性、抗冲击及抗疲劳性[2−3]
。连杆用钢的性能直接影响发动机乃至整个汽车的可靠性、安全性和耐久性[4]
。目前，国
内汽车用连杆多采用45#碳结钢、40Cr 、35CrMoA 、42CrMoA 等调质钢及MnVS 、C70S6、SVdH20S1、S45CVMn
等非调质钢
[5−7]
。碳素调质钢是汽车发动机连杆传统用钢，强度通常小于800 MPa ，一般用于小功率发动机；
传统非调质钢的显微组织以铁素体+珠光体为主，强度通常小于900 MPa ，主要用于轻型卡车发动机。常规连杆用钢强度尚够，但其切削性、可加工性普遍较差[8−9]
。
对于44SMn28易切削钢钢，较传统易切削钢添加了更高含量的硫，通过控制硫化物形态、大小与分布
来改善钢的切削性能[10−11]
。44SMn28钢中弥散分布的MnS 夹杂物可改善钢的机械加工性能、延缓晶粒生
长
[12−14]
；切削加工过程中，纺锤型MnS 沿塑性流动层变形为薄面可起到润滑效果，使塑性流动层更易发生剪
切断裂而利于切削[15−16]
。44SMn28钢属于环保材料，在切削加工过程中可有效改善刀具与切屑件间的摩擦力，降低刀具的磨损
[17−18]
。鉴于此，采用低倍酸洗、金相观察、扫描电子显微镜(scanning electron microscope ，
SEM)观察、电子散能谱仪(energy dispersive spectroscopy ，EDS)分析等显微测试手段对扒皮与黑皮44SMn28钢轧材裂纹进行分析，探讨裂纹形成机理，为44SMn28钢轧制工艺的合理制定提供参考。
1 试验
试验材料为汽车连杆用钢44SMn28，先经100 t 电弧炉冶炼，再经真空循环脱气(ruhstahl heraeus ，RH)精
炼将其连铸成250 mm×250 mm 方坯，试验钢合金成分如表1。为对比来料表面状态对轧材质量的影响，将一根方坯采用黑皮铸坯装炉加热；另一根方坯经单面扒皮5 mm 后装炉加热。方坯的加热工艺制度如表2。加热的方坯经1.5 h 保温后，在连续棒材轧机上进行连轧，轧制与冷却工艺如表3，成品规格为Φ43.5 mm 。
将轧后棒材经质量分数为12%的HCl 酸洗后进行肉眼表面观察；为进一步观察裂纹形貌及分布，使用线切割对轧后棒材沿裂纹方向截取尺寸为15 mm×15 mm×10 mm 的试样，随后分别用不同粒度的砂纸进行研磨，待打磨面无明显划痕后，将其置于抛光机用粒径为1.5 µm 的金刚石抛光剂进行抛光处理。对于组织观察试样进一步用体积分数为4%的硝酸酒精侵蚀，然后采用ZEISS Imager.A2m 光学显微镜观察表面裂纹，采用ZEISS Sigma 500场发射显微镜观察基体裂纹、组织形貌且进行夹杂物能谱分析。
2 结果与分析
2.1 表面裂纹
轧后棒材的裂纹宏观照片如图1。由图1可发现：轧材表面裂纹整体沿纵向开裂，呈细长状；相较于黑
皮轧材，扒皮轧材裂纹更多、更宽、更深。轧材中浅、中、深3种尺寸裂纹的微观照片如图2。
表 1 试验钢合金成分
w /%Tab. 1 Alloy composition of test steel w /%C Si Mn P S Cr Alt 0.44
0.30
1.56
0.009
0.32
0.20
0.003
表 2 加热工艺制度单位：℃Tab. 2 Heating process system Unit:℃预热段加热段I 加热段II 均热段≤800
900~1 000
1 100~1 150
1 130~1 170
表 3 轧制工艺制度Tab. 3 Rolling process system
来料状态开轧温度/℃成品孔轧制温度/℃
减定径温度/℃
冷却状态扒皮 1 100±50860±20600±20空冷黑皮
1 100±50
860±20
—
空冷
第1期
方 强，等：汽车连杆用棒材44SMn28裂纹分析31
由图2可见：轧材表面裂纹呈细条状且向基体内部延伸扩展，开口处较宽、端部较细；多数裂纹周边有明显的脱碳现象；整体上黑皮轧材表面裂纹平均长度小于扒皮轧材，且明显较钝。由裂纹周边脱碳情况可推断，轧材表面裂纹主要由铸坯表面裂纹所致，个别裂纹由轧制所致。连铸坯由表层向内部大致可划分为激冷层、粗大柱状晶与中心等轴晶区[19]
。在浅表激冷层细晶区与内部中心等轴晶区晶粒呈无取向生长，而柱状晶区晶粒与夹杂物垂直于表面生长。在激冷层由于钢水与结晶器直接接触，冷却速率极快，成分来不及偏析，高的过冷度使形核率较高，形成细小晶粒与析出物[20]
。柱状晶与中心等轴区冷却较慢，在二冷与矫直过程中，低熔点的FeS 呈液相分布，在热应力、相变应力与矫直力等作用下形成裂纹。扒皮铸坯表面激冷层的细晶区被机械去除，直接呈粗大柱状晶，此区域存在大量的MnS/FeS 夹杂物及裂纹，加热与轧制时裂纹会进一步扩展；而黑皮铸坯表面激冷层晶粒与析出颗粒细小、成分均匀，无大颗粒MnS/FeS 夹杂物及由此导致的裂纹。因此，连铸过程中应加大一冷及二冷阶段的冷却速度；使用电磁搅拌防止大尺寸硫化物的出现；矫直温度尽量避开FeS 共晶温度区间，以避免出现裂纹。
2.2 裂纹形成机理分析
为进一步分析裂纹形成原因及产生机理，利用场发射扫描电镜对轧材横截面进行分析，黑皮轧材与扒皮
轧材截面观察结果如图3，4。由图3可看出：黑皮轧材截面有大量弥散分布的夹杂物，主要为纺锤形与在基体均匀分布且尺寸较小的球形夹杂物；也有较大的夹杂物且已形成裂纹并进行了扩展。由图4可看出：扒皮轧材不仅存在较黑皮轧材更宽、更深的表面裂纹，还存在内部裂纹；内部裂纹整体呈细长分布，在裂纹两侧有小尺寸球状和纺锤状夹杂物。
比较图3，4可看出：黑皮轧材主要是表面裂纹；而扒皮轧材不仅存在表面裂纹，轧材中间还存在大量成
裂纹
裂纹
(a) 扒皮轧材
(b) 黑皮轧材
图1 轧材酸洗宏观照片
Fig. 1 Macro images of rolling bars after pickling
(a) 扒皮轧材 ((b) 扒皮轧材 (中(c) 扒皮轧材 (深(d) 黑皮轧材 ((e) 黑皮轧材 (中(f) 黑皮轧材 (深666.38 μm
287.1
7 μm
776
.
41
μm
140.7
2 μm
625.6
5 μm
23
7.69 μ
m 图2 轧材裂纹微观照片
Fig. 2 Micro images of rolling material cracks
32
安 徽 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)2023 年
片条状裂纹。表面裂纹主要是由夹杂物产生的铸坯表面裂纹在轧制过程中进一步扩展所致[21−23]
。FeS 属于低熔点夹杂物，且易在奥氏体晶界析出，扒皮轧材在低温减定径作用下由于基体与夹杂物的塑性不一致，在承受一定应力作用时往往会沿界面形成裂纹而扩展；同时低温变形伴随着相变发生，相变优先在夹杂物附近
于晶界处形核，在这种形变应力与相变应力共同作用下，裂纹沿晶界呈细长条状扩展[24]
。高温下钢中S 主要与Mn 结合生成MnS ，当温度降至980~1 000 ℃时，开始析出FeS 的共晶体。在高温轧制过程中MnS 很容易发生形变，且沿轧制方向变形延伸，使钢材横向力学性能显著降低，不利于切削性能的提高；而
1 000~1 150 ℃条件下MnS 塑性较低，轧制时变形小，利于MnS 纺锤体的形成，从而改善切削性能[25]
。
为进一步确定裂纹产生与形成机理，对黑皮轧材与扒皮轧材裂纹周边截面进行EDS 面扫分析，结果如图5，6。由图5可见：粗大裂纹处基体由Fe 与O 组成，主要是Fe 的氧化物，在粗大氧化物两侧含有较高
含量的Fe 与S 原子，未发现Mn ，说明裂纹与母材交界处有一层FeS ，进一步验证裂纹是从FeS 处形成并扩展长大的，这种低熔点的共晶体一般以离异共晶形式分布在晶界上，在各种应力作用下极易引起钢的开裂[26]
。由图6可见：基体的纺锤体与颗粒状夹杂物主要是由Mn 与S 组成的MnS 夹杂物。由上述观察结果得出，裂纹主要由低熔点FeS 导致而成，高温下氧沿着裂纹两侧逐渐向基体渗透，与低熔点FeS 中的铁原子形成铁的氧化物，然后S 继续向基体扩散形成低熔点的 FeS ，此过程不断推进从而在裂纹处形成粗大的氧化铁。
表面裂纹
(a) 表面局部放大图
(b) 中心夹杂物分布
(c) 表面夹杂物分布
表面裂纹
2 μm
10 μm
10 μm
图3 黑皮轧材裂纹及夹杂物分布
Fig. 3 Distribution of cracks and inclusions in products rolled with black skin billet
内部裂纹
(a) 近表面夹杂物分布
(b)
(c)
内部裂纹
内部裂纹
表面裂纹
图4
扒皮轧材裂纹及夹杂物分布
Fig. 4 Distribution of cracks and inclusions in products rolled with peeling billet
Fe O Mn S
25 μm
25 μm
25 μm
图5 黑皮轧材裂纹周边截面EDS 分析
Fig. 5 EDS analysis of section around crack of products rolled with black skin billet
第1期
方 强，等：汽车连杆用棒材44SMn28裂纹分析33
为分析组织类型及形态对裂纹形成作用，对2种坯料轧材进行显微组织观察及能谱分析，结果如图7，8。
由图7，8可看出：2种坯料轧材的显微组织均由铁素体与片层状珠光体组成，组织未出现异常现象；在铁素体内部、铁素体晶界与珠光体内部有纺锤状与细小颗粒状析出物，大小在几百纳米至几微米之间；纺锤状及粒状夹杂物中的元素均由Mn 与S 组成，是MnS 夹杂物。这种铁素体与珠光体组织以及细小弥散分布
Fe O Mn S
25 μm
25 μm
图6 扒皮轧材裂纹周边截面EDS 分析
Fig. 6 EDS analysis of section around crack of products rolled with peeling billet
020*******Binding energy/keV
谱图1
w /%σ68.5Mn Mn
Mn
S
S 0.231.50.2
C o u n t s p e r s e c o n d /e V
1520
0020608040510Binding energy/keV
谱图2w /%σ69.5Mn Mn
Mn
S
S 0.330.50.3
C o u n t s p e r s e c o n d /e V
1520
10 μm
图7 黑皮轧材显微组织及能谱分析
Fig. 7 Microstructure and EDS analysis of products rolled with black skin billet
510510Binding energy/keV
谱图3w /%σ63.4Mn Mn
Mn S S 3.936.6 3.9
C o u n t s p e r s e c o n d /e V
1520
51510510Binding energy/keV
谱图4w /%σ68.0Mn Mn
Mn S
S 3.232.0 3.2
C o u n t s p e r s e c o n d /e V
1520
5 μm
图8 扒皮轧材显微组织及能谱分析
Fig. 8 Microstructure and EDS analysis of products rolled with peeling billet
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安 徽 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)2023 年
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