UCM六輥連軋機中間輥表面接觸應力疲勞裂紋擴展失效機理研究

鞠賢琴，謝晶，王輝

寶鋼軋輥科技有限責任公司，江蘇常州，213019

0 引言

輥身表面剝落是冷軋工作輥常見的失效形式，引起軋輥剝落的常見的原因有表面缺陷（如裂紋、軟點）、次表層材質缺陷及接觸應力[1]。按剝落劃分一般可分為表面接觸疲勞剝落和次表層疲勞剝落，其裂紋源的產生主要與軋制事故及修磨使用維護不當有關[2]。但冷軋中間輥的剝落案例較少，雖然冷軋中間輥的材質和熱加工工藝基本相當，但硬度水平差距較大；另外中間輥在機服役周期長，輥面存在較明顯的接觸疲勞硬化現象，從而中間輥的剝落機理有所區別。本文以某冷軋廠5機架六輥連軋機中間輥輥身剝落失效為例，探討了中間輥輥身剝落失效機理。

1 分析對象

某廠軋機中間輥在軋制周期內發生在線剝落事故，導致軋機停機2個半小時，生產評定為二級質量事故。涉及軋輥規格為φ545×2100×4800，材質為5%Cr，輥身表面硬度為78-82HSD。該輥最后一次上機直徑為φ496.90、輥位：G1機架上輥、上機粗糙度為Ra0.98、輥形凸度0.05，上機軋制8000噸時發生剝落（正常換輥周期為12000噸）。剝落區裂紋源位置位于操作側輥身1360mm位置。軋輥輥身表面剝落形貌如圖1所示。

2 軋輥剝落分析

2.1 裂紋擴展軌跡分析

起始觀察該輥剝落形貌如圖2（1）所示，可以清晰地看到疲勞裂紋擴展痕跡I，方向如紅色箭頭所示，疑似裂紋源位置為紅色線圈A所指向位置。其次，沿疲勞裂紋擴展痕跡向上游查找輥面發現聚集裂紋，如圖2（2）紅色線圈B所在位置。經現場了解，客戶認為該輥輥位為上輥，疲勞裂紋擴展方向與軋輥工作時旋轉方向一致，因此懷疑該輥次表層可能存在夾雜類缺陷導致本次掉皮事故。

為進一步探究該輥裂紋擴展萌生位置，現場通過敲擊，將圖2（2）中紅色虛線框內已脫空區域敲下。首先，發現疲勞裂紋擴展痕跡Ⅱ和Ⅲ，方向如紅色箭頭所示，疲勞裂紋擴展痕跡間距較大，擴展行程較短，與本次軋輥旋轉方向相反，裂紋源與A點并不重合，說明在本次軋制周期內形成表面裂紋后快速擴展而導致失效。其次，發現原有表面裂紋B點其皮下顯示為擠壓凹坑，說明B點表面裂紋產生是由于爆輥過程中瞬時擠壓形成。

根據軋輥表面裂紋擴展理論，軋輥表面萌生裂紋后由于軋輥的旋轉及軋制力的作用，表面裂紋沿徑向和周向擴展，一般擴展的方向為徑向與切向的45°方向，且與軋輥旋轉方向相反；當裂紋擴展至韌性較好的過渡層時，由于徑向韌性較好，裂紋不再沿徑向擴展，而沿著過渡層向圓周方向擴展，軋輥每旋轉一周，裂紋向前擴展“一步”，形成的軌跡稱為疲勞駐痕；當裂紋擴展至一定程度，軋輥的強度降至剝落發生的程度時便產生剝落。裂紋擴展痕跡Ⅱ和Ⅲ該類典型表面微裂紋產生后，隨裂紋擴展而形成的疲勞駐痕。

通常情況下，輥身表面裂紋沿圓周兩個方向進行擴展，可以從軋輥在軋機中的位置及疲勞裂紋擴展痕跡間距等方面進行分析。疲勞裂紋擴展痕跡I與軋輥旋轉方向一致，該類裂紋擴展形成可能在上一個軋制周期下輥使用時產生或在本次軋制過程中主裂紋擴展至失穩時停機后產生。

2.2 金相組織分析

為進一步分析疲勞裂紋擴展痕跡I的形成原因，對圖2（8）中紅色箭頭指示意義圓點進行分析，將剝落試塊按圖2（8）中紅色線框割取試樣進行金相檢測分析。試樣經鑲嵌、打磨、拋光等工序，在金相顯微鏡下進行分析。從圖3（6）可知，在500倍下觀察，該區域金相組織無明顯異常，為回火隱晶馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。其次，該區域存在多條微裂紋，如圖3（4）和（5）所示。將試樣放大至10倍觀察，裂紋平行分布，間距大概為1000um，具有較強的規律性，可以初步說明該位置亦為疲勞裂紋。

如圖3（3）所示，按疲勞裂紋擴展間距1000um，結合軋制速度和軋輥周長計算可得知疲勞裂紋擴展速率很快。在高疲勞裂紋擴展速率基礎上進一步分析疲勞裂紋擴展痕跡I，如圖4所示。其中，點a為疲勞裂紋萌生起點，裂紋源應在軋輥表面形成。點b區域疲勞裂紋密集，且沿徑向呈一定角度向下擴展，擴展時間短暫，然后裂紋受到一定阻礙，在b的末端產生停頓點；裂紋繼續擴展，形成c區擴展形貌，疲勞裂紋基本在同一徑向面上，說明裂紋已擴展至淬硬層與非淬硬層交界區，裂紋難以進一步沿徑向向心部擴展；此時，裂紋沿圓周方向迅速擴展形成d區；由于裂紋擴展至d區末端，該區域材料的強度已難以支撐軋制力和輥系間接觸擠壓應力，該區域處于嚴重失穩狀態，裂紋經歷短暫擴展形成e區，然后已脫空的區域在外力作用下剪切至輥身表面，伴隨裂紋兩端撕裂形成大面積剝落。整個過程經歷時較為短暫。

從上述軋輥剝落區形貌特征和擴展路徑分析，該輥剝落主因為在輥身表面A區附近產生表面微裂紋，在軋制過程中逆軋制方向沿疲勞裂紋擴展痕跡Ⅱ和Ⅲ擴展。伴隨裂紋擴展導致軋輥表層失穩產生局部剝落后造成停機反轉，從而產生短時疲勞裂紋擴展痕跡I。

2.3 軋輥硬度分析

進一步對輥身沿軸線進行硬度檢測，輥身正常區域硬度為81HSD左右，在剝落區域圓周方向輥面硬度為86~87HSD，如圖5輥身硬度測試曲線，說明該區域加工硬化比較明顯，軋輥在軋制周期內已經產生了較大的疲勞累積。由于該位置位于軋制帶鋼邊部，且該側為中間輥竄入一側，在與更高硬度的工作輥滾動接觸時使得中間輥邊部接觸應力顯著增加[3]。其次，中間輥在機服役時間長，且周期內采用3~5次工作輥換輥規程，這樣中間輥的表面層始終保持著很高的接觸應力，在高接觸應力條件下很容易在中間輥表面萌生應力疲勞裂紋。

表面缺陷引發的剝落的顯著特征是剝落面上存在明顯的疲勞擴展條帶，呈海灘型疲勞條紋和扇形斷裂流線，疲勞條帶軌跡可從幾英寸長到環繞軋輥幾個全圈，有時有一個亮的（摩擦的）或暗淡（氧化的）的外表，主疲勞裂紋的擴展方向一般與軋輥旋轉方向相反。查看剝落塊或未剝落區輥面通常能找到表面裂紋。

3 分析與討論

軋輥表面剝落，主要分為6個階段[4-5]。階段1-階段3為表面裂紋產生階段。輥面熱沖擊區及應力集中區均可誘發表面裂紋的產生。隨著軋輥的每次轉動，整個軋輥表面在高拉應力與高壓應力之間循環，單點上的任何應力集中都會導致表面裂紋的產生。階段4為裂紋由表及里擴展階段。在軋制力的作用下，表面裂紋以30°~45°方向沿徑向和周向擴展通過軋輥淬硬層，在這一階段，出現了明顯的沿徑向和圓周向的疲勞駐痕和“扇形”斷裂流線。階段5為裂紋周向擴展階段。裂紋穿過淬硬層擴展至軟硬交界區后，由于內部組織韌性較好，裂紋不再繼續向內部擴展而是沿著圓周方向彌散。在第五階段，疲勞軌跡繼續出現明顯的沿徑向和圓周向的駐痕和“扇形”斷裂流線。階段6為剝落發生階段。隨著裂紋的持續擴展，當基體的屈服強度降到剝落發生的程度便引發剝落。根據軋輥材料的強度和軋制應力，第6階段可在階段4和階段5之間的任何時間發生。這個斷裂的最終階段為瞬時的、脆性的，這可以通過從剝落面的斷裂流線痕跡看到。

本案例中間輥輥身表面硬度檢測具有明顯加工硬化特征，輥身硬度從上機前81HSD上升到86HSD；金相檢測分析找到了疲勞裂紋萌生起始點和分布特征，因此該輥失效主要與接觸疲勞硬化有關，這樣會導致原有表層淬火+回火組織形成微觀區域退化現象。另一方面，軋輥在機服役后期，軋機輥縫中隨著清潔度的下降以及軋制乳化液的沖刷不徹底等問題，在軋機輥系中引入了異質點，對輥身表面產生了局部異常沖擊。在滾動接觸疲勞和接觸應力疊加作用下，在輥身表面萌生微裂紋，隨著裂紋沿軋輥徑向擴展至淬硬層和非淬硬層過渡區時，裂紋的擴展受到心部高韌性基體的阻礙開始沿圓周方向擴展，當軋制應力超過淬硬層強度時表層裂紋擴展區，即瞬時剝離輥身基體形成大面積的剝落。

在軋輥全生命周期軋制、修磨使用運維過程中可以通過以下幾個方法預防表面缺陷引發的輥身表面剝落事故[6]。首先，盡量避免與軋制工況有關的軋輥損傷，諸如：軟點、熱沖擊、熱裂紋、輥印、劃痕或任何可能作為應力集中的因素；如果作用在軋輥上的軋制應力大于軋輥材料強度，表面裂紋有可能在軋制周期內發生，彌散甚至剝落[5]。其次，可根據軋制鋼種等級的不同，在軋制高強鋼、硅鋼等產品時適當縮短軋制周期，做好軋制計劃安排，這樣可有效降低軋輥表面疲勞程度和損傷機會。另外，在上機之前可在修磨過程中消除各種引起疲勞剝落的因素；修磨完成后對每支待上機軋輥建議都采用渦流+表面波探傷，確保軋輥不帶缺陷上機。

4 結語

（1）軋輥剝落失效系輥面局部遭受沖擊導致局部應力集中，在輥身表面A區附近產生表面微裂紋，在軋制過程中逆軋制方向沿疲勞裂紋擴展痕跡Ⅱ和Ⅲ擴展。伴隨裂紋擴展導致軋輥表層失穩產生局部剝落后造成停機反轉，從而產生短時疲勞裂紋擴展痕跡I。

（2）金相分析表明軋輥淬火組織為回火隱晶馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，未見大塊狀夾雜類缺陷。

（3）中間輥在機服役周期較長，存在較明顯的疲勞硬化現象；在與高硬度工作輥接觸時使得中間輥邊部接觸應力顯著增加。綜合軋輥受力狀態，中間輥身邊部在高接觸應力條件下容易產生應力疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的擴展最終導致軋輥剝落失效。

（4）在中間輥服役中，可根據軋制鋼種等級的不同適當調節軋制換輥周期，做好軋制排產計劃，同時做好與之配對工作輥下機表面質量監測，進行分階段排查，這樣可有效降低中間輥因表層疲勞累積所引發失效；另外，定期對軋機輥縫的清潔度進行檢測，確保軋機輥縫無異物或殘鐵等雜質咬入輥縫，形成質點擠壓應力集中，避免軋輥表面瞬時接觸應力過大產生表面裂紋缺陷。