谷國剛

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司新材料研究所，山東271100)

冷軋機(jī)軋輥的疲勞斷裂分析

谷國剛

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司新材料研究所，山東271100)

研究分析疲勞斷裂形成的機(jī)理，主要針對冷軋機(jī)軋輥疲勞斷裂造成的軋輥脫皮事故進(jìn)行了分析。通過理論與實(shí)際的結(jié)合采用宏觀檢測方法，明確了軋輥疲勞斷裂的原因。

冷軋機(jī);軋輥;疲勞斷裂

疲勞斷裂是金屬構(gòu)件斷裂的主要形式之一。有關(guān)資料表明，在各類金屬零件斷裂分析中，疲勞斷裂約占80%，因此金屬材料疲勞斷裂的研究仍然是值得關(guān)注的重點(diǎn)問題。本文主要研究分析了單機(jī)架6輥HC可逆冷軋機(jī)軋輥疲勞斷裂造成脫皮等事故的原因。

1 常見軋機(jī)軋輥疲勞斷裂形態(tài)

冷軋機(jī)軋輥在工作過程中發(fā)生疲勞斷裂的形態(tài)多種多樣，有的局部脫皮，有的脫皮面積大于輥面長度的1/2，嚴(yán)重者則造成軋輥斷裂。

疲勞斷裂的一般形式有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞和由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂都是這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。

軋機(jī)軋輥在工作過程中受力較為復(fù)雜，其斷裂面形態(tài)有多種多樣，因此其斷裂形式一般也是由正應(yīng)力及切應(yīng)力引起的復(fù)合斷裂。

單純由切應(yīng)力引起的疲勞斷裂的力學(xué)條件是切應(yīng)力/缺口切斷強(qiáng)度≥1，正應(yīng)力/缺口正斷強(qiáng)度＜1。切斷疲勞的特點(diǎn)是疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)力狀態(tài);初裂紋所在的平面與應(yīng)力軸約成45°角，并沿其滑移面擴(kuò)展。

單純由正應(yīng)力引起的疲勞斷裂的力學(xué)條件是正應(yīng)力/缺口正斷強(qiáng)度≥1，切應(yīng)力/缺口切斷強(qiáng)度＜1。正斷疲勞的特點(diǎn)是疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)變狀態(tài);初裂紋所在的平面大致上與應(yīng)力軸相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展。

正應(yīng)力及切應(yīng)力引起的疲勞斷裂如圖1所示。

2 軋輥疲勞斷裂斷口的宏觀形貌特征

典型的疲勞斷裂從斷口上可明顯分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)。

由圖2可以明顯地看出，“AB”曲線是疲勞斷裂的疲勞源區(qū)，“C”區(qū)是疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)，“D”區(qū)、“E”區(qū)是瞬時斷裂區(qū)。

2.1 疲勞源區(qū)

圖1 正應(yīng)力及切應(yīng)力引起疲勞斷裂示意圖Figure 1 Schematic diagram of normal stress＆shear stress generating the fatigue fracture

疲勞源區(qū)即是疲勞裂紋的萌生區(qū)。在疲勞斷口上，它是一個光滑、細(xì)膩的小區(qū)域，用肉眼或用低倍放大鏡就能判斷其位置。它是疲勞破壞的起點(diǎn)，這個區(qū)域在整個疲勞斷口中所占比例很小，實(shí)際在疲勞斷口上通常指放射源的中心點(diǎn)或貝殼紋的圓心。一般情況下，一個疲勞斷口只有一個疲勞源，但在反復(fù)彎曲時可出現(xiàn)兩個疲勞源甚至多個疲勞源。

在疲勞斷裂的失效分析中，從疲勞斷口上找到起始疲勞源是分析疲勞斷裂形成原因的關(guān)鍵。

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，是疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展區(qū)，是疲勞斷口上重要的特征區(qū)域。該區(qū)域形態(tài)多種多樣，可以是光滑的，也可以是瓷狀的，可以有明顯的貝紋線，也有的看不出明顯的貝紋線，具體形態(tài)將取決于構(gòu)件所受的應(yīng)力狀態(tài)及運(yùn)行情況。但在此區(qū)域內(nèi)，表面比疲勞源區(qū)粗糙、發(fā)暗。

冷軋機(jī)工作輥在運(yùn)行過程中由于反復(fù)開機(jī)、停機(jī)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以及設(shè)備振動等影響，一般在其疲勞斷口的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)能觀察到明顯的貝紋線。圖3所示為典型的疲勞斷口貝紋線和疲勞源區(qū)。

2.3 瞬時斷裂區(qū)

瞬時斷裂區(qū)即是快速靜斷區(qū)。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時，構(gòu)件的有效承載面承受不了當(dāng)時的載荷而發(fā)生快速斷裂。斷口平面基本與主應(yīng)力方向垂直，粗糙的晶粒狀脆斷基本呈放射線狀。在軋機(jī)工作輥的疲勞斷裂中該區(qū)域占斷口面積的比例較大。

軋機(jī)軋輥疲勞斷裂屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，其軋輥表面上各點(diǎn)的應(yīng)力值最大，心部應(yīng)力值最小，所以在軋輥表面上的各點(diǎn)均有相同的疲勞源萌生機(jī)會。一般軋輥的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的斷口形貌主要有以下三種類型:

(1)正向斷裂，斷裂表面與軸向呈45°角，即沿最大正應(yīng)力作用的平面發(fā)生斷裂;

(2)切向斷裂，斷面與軸向垂直，即沿著最大切應(yīng)力所在的平面斷裂，橫斷面齊平;

(3)混合斷裂，橫斷面呈階梯狀，即沿著最大切應(yīng)力所在的平面起裂，并在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展引起的斷裂。

一般正向斷裂的宏觀形貌為纖維狀，不易出現(xiàn)疲勞弧線，切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。

3 軋輥疲勞斷口的微觀形貌特征

疲勞斷口的微觀形貌特征是在電子顯微鏡下觀察到的條狀花樣，通常稱為疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋等，如圖4所示。

4 疲勞斷裂原因分析

4.1 零件的結(jié)構(gòu)形狀

圖2 軋輥疲勞斷裂脫皮宏觀形貌圖Figure 2 Macro appearance of themill roll fatigue fracture＆skin peel off

圖3 疲勞斷口的貝紋線和疲勞源區(qū)Figure 3 Shellmark and fatigue source zone of fatigue fracture

零件的結(jié)構(gòu)形狀不合理，主要表現(xiàn)在零件中的最薄弱部位存在轉(zhuǎn)角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過大的應(yīng)力集中，疲勞微裂紋最易在此處萌生。

4.2 表面狀態(tài)

不同的切削加工方式(車、銑、刨、磨、拋光)會形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖銳程度的小缺口。這種小缺口與零件幾何形狀突變所造成的應(yīng)力集中效果是相同的。由于表面狀態(tài)不良導(dǎo)致疲勞裂紋的形成是金屬零件發(fā)生疲勞斷裂的另一重要原因。

4.3 材料及其組織狀態(tài)

材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過程中由于管理不善而錯用材料造成的疲勞斷裂也時有發(fā)生。金屬材料的組織狀態(tài)不良是造成疲勞斷裂的常見原因。一般情況下材料組織的不均勻性，如非金屬夾雜物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲勞抗力降低而成為疲勞斷裂的重要原因。

4.4 裝配與聯(lián)接效應(yīng)

裝配與聯(lián)接效應(yīng)對構(gòu)件的疲勞壽命有很大的影響。正確的擰緊力矩可使其疲勞壽命提高5倍以上。容易出現(xiàn)的問題是，認(rèn)為越大的擰緊力對提高聯(lián)接的可靠性越有利，使用實(shí)踐和疲勞試驗(yàn)表明，這種看法具有很大的片面性。

圖4 疲勞斷裂的微觀形貌特征Figure 4 Microscopic appearance of fatigue fracture

圖5 CR081L中間輥脫皮形貌Figure 5 CR081L intermediate roll skin peeling off appearance

圖6 脫皮斷口形貌Figure 6 Appearance of roll skin peeling off and fracture

圖7 疲勞源形態(tài)Figure 7 Appearance of fatigue fracture source

4.5 使用環(huán)境

環(huán)境因素(低溫、高溫及腐蝕介質(zhì)等)的變化，使材料的疲勞強(qiáng)度顯著降低，往往引起零件過早的發(fā)生斷裂失效。

5 疲勞斷裂失效分析實(shí)例

2010年某冷軋廠1 700 mm軋機(jī)CR081L中間輥發(fā)生表面脫皮事故，該輥輥號CR081L，原輥徑500 mm，共磨削17次，現(xiàn)輥徑491.10 mm，單邊減徑4.45 mm。該軋輥脫皮面積較大，接近輥身長度1/2。脫皮形貌見圖5，脫皮斷口形貌見圖6。

由圖6可以明顯看出兩個特征:(1)整個斷口周邊上，斷裂纖維都是由內(nèi)向外發(fā)散。也就是說，脫皮是由內(nèi)向外進(jìn)行的。(2)脫皮是典型的疲勞斷裂。穩(wěn)定疲勞區(qū)是“1”、“2”、“3”，其余斷面是快速疲勞區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。根據(jù)疲勞斷裂的“貝殼紋”清晰程度和斷口的細(xì)膩程度，并根據(jù)斷裂纖維的接續(xù)次序，確定“1”區(qū)為起始疲勞區(qū)，依次是“2”、“3”區(qū)。

仔細(xì)觀察“1”區(qū)起始疲勞區(qū)發(fā)現(xiàn)“1”區(qū)起始疲勞區(qū)的疲勞源是“ABCD”曲線(見圖7)，它不僅是“1”區(qū)的疲勞源，也是瞬時斷裂的終止線。其中，“AB”段接近直線，“CD”段接近圓弧線。

“ABCD”曲線距中間輥表面約15 mm。若該處缺陷是中間輥內(nèi)部存在的缺陷，那說明該軋輥的疲勞斷裂是軋輥制造的問題;若該處缺陷是軋輥表面裂紋的延伸，那么該軋輥的疲勞斷裂就與軋輥的磨削、使用有關(guān)。因此在分析軋輥疲勞斷裂的過程中找到軋輥的起始疲勞區(qū)，確定軋輥的疲勞源，明確疲勞源的形成原因是分析軋輥疲勞斷裂的關(guān)鍵。

圖8 對應(yīng)疲勞源“ABCD”曲線的軋輥脫皮掉塊Figure 8 Roll skin peeling off fragment corresponding to the fatigue source“ABCD”curve

圖9 掉塊斷裂纖維由內(nèi)向表面發(fā)散繁殖Figure 9 Fracture fibers of peeling off fragment propagating to the surface from inside

針對該軋輥疲勞斷裂進(jìn)行分析。為了明確軋輥“1”區(qū)起始疲勞區(qū)的疲勞源是“ABCD”曲線的形成原因，找出了與軋輥“ABCD”曲線對應(yīng)的疲勞脫皮掉塊，在掉塊的斷口上找到“ABCD”曲線的相應(yīng)位置“A'B'C'D'”(見圖8)。

“ABCD”曲線是線條，不是裂紋。在掉塊的中間輥表面上，沒有相對于“ABCD”曲線的表面裂紋。掉塊通向軋輥表面的斷裂面，切斷雙向快速疲勞纖維(見圖8)，而且斷裂纖維是由內(nèi)向中間輥外表面發(fā)散的(見圖9)，也就是說，中間輥掉塊是由內(nèi)部產(chǎn)生的。這就可以肯定“ABCD”曲線是中間輥內(nèi)部存在的缺陷，不是中間輥表面裂紋的延伸。

根據(jù)以上對軋輥疲勞斷裂脫皮的宏觀分析，可以推測軋輥疲勞脫皮過程是由軋輥的內(nèi)部缺陷“ABCD”線條引起“1”區(qū)穩(wěn)定疲勞，當(dāng)疲勞裂紋發(fā)展到一定程度后，引發(fā)穩(wěn)定疲勞區(qū)“2”和“3”，當(dāng)這些疲勞區(qū)擴(kuò)展到一定程度后，引發(fā)兩側(cè)快速(雙向或單向)疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致中間輥瞬斷脫皮。所以該軋輥疲勞斷裂脫皮是由軋輥內(nèi)部缺陷造成的，與軋輥使用等無關(guān)。

結(jié)合以上實(shí)例推論，若在軋輥“ABCD”曲線對應(yīng)的疲勞脫皮掉塊上發(fā)現(xiàn)存在表面裂紋，或觀察掉塊通向軋輥表面的斷裂面的斷裂纖維是由外表面向軋輥內(nèi)發(fā)散的，那就說明起始疲勞區(qū)的疲勞源“ABCD”線條是由外表面裂紋向輥身內(nèi)部擴(kuò)展造成的。則該軋輥疲勞斷裂脫皮是軋輥使用或磨削不當(dāng)造成表面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋進(jìn)一步向輥身內(nèi)擴(kuò)展，產(chǎn)生疲勞，達(dá)到一定程度后引起瞬斷脫皮。

6 建議

通過研究疲勞斷裂形成機(jī)理，并結(jié)合軋輥疲勞斷裂造成脫皮事故的分析得出，冷軋機(jī)軋輥疲勞斷裂形成原因除了軋輥制造的問題外，還有軋輥使用的問題。軋輥使用問題包括使用、維護(hù)、磨削、裝配等。因此建議軋輥使用單位制定嚴(yán)格的軋輥管理制度，控制軋輥使用時的正常換輥。剛下線的軋輥要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行妥善處理。對于正常換輥及事故輥采用合理的磨削制度。對于磨削后上線前的軋輥一定要嚴(yán)格進(jìn)行無損檢測，防止軋輥表面存在未磨削掉的微裂紋，以免在使用過程中造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞或斷輥事故。

編輯 李韋螢

Analysis on Fatigue Fracture of Cold Mill Roll

Gu Guogang

Mainly aiming at the cold mill roll skin peeling of caused by the fatigue fracture，the mechanism that creates the fatigue fracture has been researched and analyzed.Macroscopic examination has been used bymeans of the combination of theory and practice，the cause of the cold mill roll fatigue fracture has been determined.

cold mill;roll;fatigue fracture

TG316.1+92

B

2013—06—05