冷軋機軋輥的疲勞斷裂分析

谷國剛

(山東泰山鋼鐵集團有限公司新材料研究所，山東271100)

冷軋機軋輥的疲勞斷裂分析

谷國剛

(山東泰山鋼鐵集團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理，主要針對冷軋機軋輥疲勞斷裂造成的軋輥脫皮事故進行了分析。通過理論與實際的結合采用宏觀檢測方法，明確了軋輥疲勞斷裂的原因。

冷軋機;軋輥;疲勞斷裂

疲勞斷裂是金屬構件斷裂的主要形式之一。有關資料表明，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注的重點問題。本文主要研究分析了單機架6輥HC可逆冷軋機軋輥疲勞斷裂造成脫皮等事故的原因。

1 常見軋機軋輥疲勞斷裂形態

冷軋機軋輥在工作過程中發生疲勞斷裂的形態多種多樣，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，即由切應力引起的切斷疲勞和由正應力引起的正斷疲勞。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合。

軋機軋輥在工作過程中受力較為復雜，其斷裂面形態有多種多樣，因此其斷裂形式一般也是由正應力及切應力引起的復合斷裂。

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

單純由正應力引起的疲勞斷裂的力學條件是正應力/缺口正斷強度≥1，切應力/缺口切斷強度＜1。正斷疲勞的特點是疲勞裂紋起源處的應力應變場為平面應變狀態;初裂紋所在的平面大致上與應力軸相垂直，裂紋沿非結晶學平面或不嚴格地沿著結晶學平面擴展。

正應力及切應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、疲勞裂紋擴展區、瞬時斷裂區。

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

2.1 疲勞源區

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

疲勞源區即是疲勞裂紋的萌生區。在疲勞斷口上，它是一個光滑、細膩的小區域，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，這個區域在整個疲勞斷口中所占比例很小，實際在疲勞斷口上通常指放射源的中心點或貝殼紋的圓心。一般情況下，一個疲勞斷口只有一個疲勞源，但在反復彎曲時可出現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鍵。

2.2 疲勞裂紋擴展區

疲勞裂紋擴展區，是疲勞裂紋的亞臨界擴展區，是疲勞斷口上重要的特征區域。該區域形態多種多樣，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，具體形態將取決于構件所受的應力狀態及運行情況。但在此區域內，表面比疲勞源區粗糙、發暗。

冷軋機工作輥在運行過程中由于反復開機、停機、正轉、反轉，以及設備振動等影響，一般在其疲勞斷口的疲勞裂紋擴展區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。

2.3 瞬時斷裂區

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

軋機軋輥疲勞斷裂屬于扭轉疲勞斷裂，其軋輥表面上各點的應力值最大，心部應力值最小，所以在軋輥表面上的各點均有相同的疲勞源萌生機會。一般軋輥的扭轉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，即沿最大正應力作用的平面發生斷裂;

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

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

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

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 零件的結構形狀

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Figure 3 Shellmark and fatigue source zone of fatigue fracture

零件的結構形狀不合理，主要表現在零件中的最薄弱部位存在轉角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過大的應力集中，疲勞微裂紋最易在此處萌生。

4.2 表面狀態

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力集中效果是相同的。由于表面狀態不良導致疲勞裂紋的形成是金屬零件發生疲勞斷裂的另一重要原因。

4.3 材料及其組織狀態

材料選用不當或在生產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生。金屬材料的組織狀態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 裝配與聯接效應

裝配與聯接效應對構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。容易出現的問題是，認為越大的擰緊力對提高聯接的可靠性越有利，使用實踐和疲勞試驗表明，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Figure 7 Appearance of fatigue fracture source

4.5 使用環境

環境因素(低溫、高溫及腐蝕介質等)的變化，使材料的疲勞強度顯著降低，往往引起零件過早的發生斷裂失效。

5 疲勞斷裂失效分析實例

2010年某冷軋廠1 700 mm軋機CR081L中間輥發生表面脫皮事故，該輥輥號CR081L，原輥徑500 mm，共磨削17次，現輥徑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，斷裂纖維都是由內向外發散。也就是說，脫皮是由內向外進行的。(2)脫皮是典型的疲勞斷裂。穩定疲勞區是“1”、“2”、“3”，其余斷面是快速疲勞區和瞬時斷裂區。根據疲勞斷裂的“貝殼紋”清晰程度和斷口的細膩程度，并根據斷裂纖維的接續次序，確定“1”區為起始疲勞區，依次是“2”、“3”區。

仔細觀察“1”區起始疲勞區發現“1”區起始疲勞區的疲勞源是“ABCD”曲線(見圖7)，它不僅是“1”區的疲勞源，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。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，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鍵。

圖8 對應疲勞源“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 掉塊斷裂纖維由內向表面發散繁殖Figure 9 Fracture fibers of peeling off fragment propagating to the surface from inside

針對該軋輥疲勞斷裂進行分析。為了明確軋輥“1”區起始疲勞區的疲勞源是“ABCD”曲線的形成原因，找出了與軋輥“ABCD”曲線對應的疲勞脫皮掉塊，在掉塊的斷口上找到“ABCD”曲線的相應位置“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向中間輥外表面發散的(見圖9)，也就是說，中間輥掉塊是由內部產生的。這就可以肯定“ABCD”曲線是中間輥內部存在的缺陷，不是中間輥表面裂紋的延伸。

根據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部缺陷“ABCD”線條引起“1”區穩定疲勞，當疲勞裂紋發展到一定程度后，引發穩定疲勞區“2”和“3”，當這些疲勞區擴展到一定程度后，引發兩側快速(雙向或單向)疲勞，進而導致中間輥瞬斷脫皮。所以該軋輥疲勞斷裂脫皮是由軋輥內部缺陷造成的，與軋輥使用等無關。

結合以上實例推論，若在軋輥“ABCD”曲線對應的疲勞脫皮掉塊上發現存在表面裂紋，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發散的，那就說明起始疲勞區的疲勞源“ABCD”線條是由外表面裂紋向輥身內部擴展造成的。則該軋輥疲勞斷裂脫皮是軋輥使用或磨削不當造成表面產生微裂紋，微裂紋進一步向輥身內擴展，產生疲勞，達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理，并結合軋輥疲勞斷裂造成脫皮事故的分析得出，冷軋機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、磨削、裝配等。因此建議軋輥使用單位制定嚴格的軋輥管理制度，控制軋輥使用時的正常換輥。剛下線的軋輥要根據環境溫度進行妥善處理。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格進行無損檢測，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力集中而產生疲勞或斷輥事故。

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