軋輥扁頭斷裂失效分析

黃磊，王曉峰，胡筱旋

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

軋鋼機械設備的正常運轉是保證企業生產順行、提高市場競爭力的重要條件，軋輥扁頭是聯接軋輥與傳動軸的部件，工作中承受較大的扭矩及沖擊力，一旦發生斷裂事故，會嚴重影響生產，給企業造成經濟損失。某厚板廠材質為25Cr2Ni4MoV的軋輥扁頭在線運行約4個月后，經著色探傷發現裂紋缺陷。為了提高表面高溫耐磨性，在工件表面進行堆焊［1］，然后打磨修復，上機繼續運行約兩個月后發生斷裂失效，嚴重影響了生產廠的工作進度，造成較大經濟損失。為避免此類事件再次發生，擬采用光學顯微鏡、掃描電鏡等檢測儀器，結合力學試驗和化學分析方法，對斷裂扁頭試樣進行相關檢驗分析，以找出軋輥扁頭斷裂失效的原因。

1 檢驗分析

為了找出扁頭斷裂原因，對試樣進行了系統檢驗，包括低倍檢驗、高倍檢驗、力學性能測試以及化學分析等。

1.1 低倍觀察分析

首先對受檢試樣進行了斷口的宏觀觀察，宏觀形貌如圖1所示。從圖1（a）中可以看出扁頭斷口平齊、光滑，根據斷裂花紋走向可以初步判斷，斷裂起始于斷口左下角。此外，斷口角部存在多個貝殼狀花樣，由此可初步判斷扁頭失效形式為起始于角部的多源疲勞斷裂。截取軋輥扁頭橫截面進行低倍腐蝕試驗，扁頭基體未見明顯夾雜物、裂紋、疏松等缺陷。進一步觀察可見，扁頭兩彎角位置經過堆焊修復，對應斷裂源一側堆焊位置可見氣孔類缺陷，堆焊與基體界面位置可見明顯裂紋缺陷，裂紋源區表面微裂紋形貌見圖1（b）。

圖1 試樣宏觀形貌圖片Fig.1 Macroscopic Morphology for Sample

1.2 高倍檢驗

1.2.1 斷口形貌分析

截取斷口位置試樣，借助光學顯微鏡對斷口形貌進行高倍檢驗觀察，斷口形貌如圖2所示。圖2（a）為斷裂源區宏觀后形貌,放大后可見明顯疲勞弧線。疲勞弧線是疲勞裂紋穩定擴展階段形成的與裂紋擴展方向垂直的弧形線，是疲勞裂紋瞬時前沿線的宏觀塑性變形痕跡［2］。疲勞弧線是疲勞斷裂的明顯特征，因此可進一步判定斷裂失效性質為疲勞斷裂。圖2（b）為裂紋源區表面微裂紋形貌，仔細觀察試樣可以看出多個疲勞區處于不同平面，斷口呈臺階狀，側面可發現近乎等距離的細線狀缺陷。

圖2 斷口形貌高倍檢驗圖片Fig.2 High-power Inspection Picture of Fracture Appearance

采用掃描電子顯微鏡觀察圖2（b）所示試樣，可確定細線狀缺陷為細小的裂紋缺陷，裂紋源區表面微裂紋掃描圖像見圖3（a）。觀察斷口形貌可見，疲勞源位于試樣表面，擴展區無明顯氧化腐蝕現象，瞬斷區主要為解理斷裂形貌，疲勞擴展區掃描圖像和瞬斷區掃描圖像分別見圖3（b）和圖3（c）。圖中扁頭斷口存在多個疲勞源點，且呈線狀，疲勞源之間的放射狀棱線較多，疲勞弧線間距加大。斷裂區的面積所占比例大，遠大于疲勞裂紋穩定擴展區面積，近似于靜載拉伸斷裂的斷口，由此可斷定為扁頭斷裂性質為高應力低周多源疲勞斷裂。

1.2.2 金相檢驗分析

選取軋輥扁頭厚度方向多個位置制成金相試樣，觀察其金相組織形貌。表面與心部金相組織形貌對比如圖4所示，試樣由表面至心部的金相組織分布不均勻，試樣表面的金相組織主要為較均勻的回火索氏體，而其余位置金相組織為晶粒粗大的回火索氏體，部分位置存在沿晶分布的碳化物。

圖3 試樣電子掃描圖像Fig.3 Electronic Scanning Image of Sample

圖4 金相組織對比形貌Fig.4 Comparative Appearances of Metallographic Structures

堆焊過渡區金相組織形貌見圖5，對鍛鋼25Cr2Ni4MoV在熱處理過程中，提高鋼的奧氏體化溫度，可促使奧氏體均勻化，使合金碳化物充分溶解，從而獲得具有良好力學性能的板條馬氏體組織。但若奧氏體化溫度過高，將得到粗大的板條馬氏體，使組織出現過熱傾向［3-4］。所檢扁頭不僅晶粒粗大同時未得到完全均勻的板條馬氏體組織，說明其鍛造及冷卻工藝存在問題。堆焊位置由粗大的柱狀和等軸的貝氏體組織組成。試樣基體夾雜物以球狀和串鏈狀氧化物為主，未見明顯異常夾雜物，扁頭基體夾雜物形貌見圖6。

圖5 堆焊過渡區金相組織形貌Fig.5 Metallographic Appearances in Intermediate Zone of Build-up Welding

圖6 扁頭基體夾雜物形貌Fig.6 Appearances of Inclusions in Matrix of Flat Head

1.3 化學成分分析及力學性能測定

為了進一步排查軋輥扁頭斷裂的影響因素，在靠近裂紋源位置截取試樣，進行了化學成分分析，結果如表1所示。從檢驗結果來看，Mo含量低于技術要求下限，其他元素化學成分符合標準。Mo為強烈淬透性元素。比較了碳鋼中常見的提高淬透性元素的影響因子，與其它合金元素相比，相對較少的數量Mo即表現強烈的影響作用。因此扁頭在較低冷速下，很難形成細小均勻的板條馬氏體組織。

表1 扁頭化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Composition in Flat Head(Mass Faction) %

對扁頭橫向及縱向試樣進行力學性能測試，實際測定數據以及技術要求見表2。從檢驗結果發現，試樣縱向與橫向試樣強度指標均低于技術要求，塑性指標滿足技術要求，縱向沖擊韌性滿足技術要求，而橫向試樣沖擊韌性則低于技術要求，布氏硬度值基本在技術要求范圍之內。

表2 橫、縱向實測力學性能及技術要求Table 2 Horizontal and Vertical Measured Mechanical Properties and Technical Requirements

2 分析討論

材料在應力或應變的反復作用下發生的性能變化稱作疲勞，若導致材料開裂即為疲勞斷裂。疲勞斷裂時，最高應力一般遠低于靜載荷下材料的強度極限，甚至低于彈性極限［1］。軋輥扁頭在工作時承受彎曲扭轉應力，在這種情況下應力分布都是表面應力最大，而表面情況，如缺口、刀痕、光潔度、氧化、腐蝕、脫碳等都對疲勞抗力有極大的影響，會增加疲勞斷裂的機會。另外，生產中軋輥扁頭套與扁頭間一般會存在一定的間隙，由于磨損、換輥等原因，間隙會不斷增大，這樣軋輥工作時沖擊力會不斷提升，產生應力集中現象。

失效扁頭試樣在承受應力最大區域的試樣表面存在規律性微裂紋缺陷，角部堆焊區域表面存在氣孔缺陷，角部堆焊區域與基體的過渡區存在裂紋缺陷，均是扁頭產生臺階狀的多源疲勞斷裂的主要原因。此外，材料的抗疲勞裂紋萌生能力通常隨晶粒尺寸的減小和材料強度的提高而提高，而對比分析試樣基體機械性能發現，所檢驗的軋輥扁頭橫、縱向強度均低于技術要求。通過金相組織觀察發現，堆焊過渡區晶粒粗大也會對疲勞裂紋的萌生和擴展產生重要影響。

3 結論

（1）軋輥扁頭開裂起始于試樣表面，且在試樣表面可觀察到多個疲勞源，失效形式為起源于表面的高應力低周多源疲勞斷裂，說明扁頭工作時存在較嚴重的應力集中現象。

（2）軋輥扁頭產生臺階狀的多源疲勞斷裂的主要原因是失效扁頭試樣在承受應力最大區域的試樣表面存在規律性微裂紋缺陷，角部堆焊區域表面存在氣孔缺陷，以及角部堆焊區域與基體的過渡區存在裂紋缺陷。

（3）由于成分、鍛造和熱處理工藝問題，所檢扁頭表面至基體金相組織不均勻、晶粒粗大，基體強、韌度不足。扁頭在線運行時容易形成微裂紋，且無良好的止裂性能，進一步增加了軋輥扁頭疲勞斷裂的危險性。