合金冷硬鑄鐵軋輥脆性疲勞斷裂分析

陳玉海，黃慶軍，王大明，李國(guó)勝

（大連橡膠塑料機(jī)械有限公司，遼寧大連 116000）

1 基本情況和現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)

2015年7月25日，山東某輪胎廠，一臺(tái)XK-760×2340B橡膠開(kāi)煉機(jī)一根 760 mm鑄鐵軋輥輥面斷裂，如圖1所示。

圖1 斷輥整體形貌照片

該機(jī)器出廠日期為2014年10月，工作壽命7個(gè)月。橡膠軋輥屬于合金冷硬鑄鐵，軋輥規(guī)格：76 0 mm×2 340 mm；軋輥重量：10 t；裂紋軋輥輥號(hào)：140814；軋輥結(jié)構(gòu)形式：鉆孔輥。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

斷輥裝機(jī)位置為1號(hào)機(jī)的固定輥，斷口將軋輥分成兩段，如圖2所示。

圖2 軋輥傳動(dòng)端和出水端結(jié)構(gòu)照片

據(jù)廠家對(duì)斷輥過(guò)程情況介紹，先發(fā)現(xiàn)輥面漏水，然后過(guò)不長(zhǎng)時(shí)間軋輥就出現(xiàn)斷裂。軋輥斷口位置位于輥面長(zhǎng)度方向1/3處，距離出水端面約860 mm，如圖3、圖4所示。

從出水端輥面來(lái)看，除斷口外，在出水端段860mm長(zhǎng)度方向有三條軸向裂紋，如圖5、圖6所示，兩條為直線形，相位角180°，另一條為曲線形。

圖3 距出水端面長(zhǎng)度840 mm～880 mm處斷口形貌

圖4 沿輥面旋轉(zhuǎn)180°角裂紋及標(biāo)識(shí)

圖5 三條裂紋整體形貌

圖6 出水端輥面兩條裂紋形貌

與斷裂輥筒配套的另一個(gè)輥筒完好無(wú)損。調(diào)距裝置為：液壓調(diào)距?，F(xiàn)場(chǎng)檢查調(diào)距裝置已打開(kāi)50 mm.

圖7、圖8所示為3個(gè)煉膠周期的功率記錄曲線，第3個(gè)煉膠周期未結(jié)束就停機(jī)了，即輥筒已經(jīng)斷裂。整個(gè)煉膠周期為矩形功率且數(shù)值超500 kW，屬于交變載荷。

圖7 煉膠功率曲線（一）

圖8 煉膠功率曲線（二）

1.2 原始生產(chǎn)過(guò)程記錄查證

該軋輥的原始化學(xué)成分如表1所示，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 軋輥原始化學(xué)成分記錄（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3 斷裂輥筒返廠檢查情況

輥面硬度檢測(cè)為68.3HSD，斷口處白口約10mm～20 mm之間，符合圖紙5 mm～20 mm的要求，周邊冷卻水孔加工情況檢查合格，斷口處沒(méi)發(fā)現(xiàn)宏觀鑄造缺陷。從圖9、圖10可見(jiàn)軋輥斷裂處輥面有壓痕和擦傷痕跡，表面著色檢驗(yàn)，斷口到傳動(dòng)端段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。中心孔直徑204 mm，周邊冷卻水孔直徑30 mm，數(shù)量24個(gè)。

圖9 出水端斷口形貌及輥面擦傷照片

圖10 傳動(dòng)端斷口形貌及輥面擦傷照片

2 斷裂分析

2.1 宏觀斷口分析

圖5照片顯示，徑向斷口與兩條軸向裂紋其中的一條相交呈“V”字形，近45°；與另一條相交呈“T”字形。

圖11 軸向裂紋走向照片

圖12 周邊孔附近軸向裂紋走向照片

從徑向斷口看軸向裂紋的形貌如圖11、圖12所示，兩條軸向裂紋在中心孔附近與中心孔壁垂直，相位角是180°，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展路徑是最初平直，然后逐漸向旋轉(zhuǎn)方向反向發(fā)生偏離，偏離角度近45°，由此可以判斷裂紋發(fā)生后是逐漸擴(kuò)展的，非一次性開(kāi)裂。

2.1.1 軸向斷裂分析

1）軋輥在鑄造過(guò)程中內(nèi)孔壁附近散熱最慢，屬于最后凝固區(qū)域，形成的鑄造應(yīng)力為徑向拉應(yīng)力，外圓（即輥面）鑄造凝固時(shí)散熱最快，屬于最先凝固區(qū)域，鑄造應(yīng)力為壓應(yīng)力。只有在拉應(yīng)力作用下，才能發(fā)生軸向開(kāi)裂。由此判斷內(nèi)孔會(huì)先開(kāi)裂。

2）軋輥中間為空心，工作過(guò)程中，兩支軋輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓橡膠物料，可以形象地稱(chēng)之為“竹筒”型擠壓運(yùn)動(dòng)，外徑受擠壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用部位，相對(duì)應(yīng)內(nèi)孔部位則受拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用，徑向的拉應(yīng)力會(huì)促使內(nèi)孔軸向開(kāi)裂。

3）根據(jù)金屬斷口分析理論[1]，脆性斷裂的傾斜度為直角，低周疲勞斷裂在裂紋擴(kuò)展速度小時(shí)呈直角，擴(kuò)展速度大時(shí)接近45°.該軋輥的軸向裂紋走向（見(jiàn)圖11、圖12）符合這一理論，由此判斷在徑向拉應(yīng)力作用下，是內(nèi)孔首先開(kāi)裂，然后裂紋發(fā)生了低周疲勞擴(kuò)展。

所以，可以判斷軸向裂紋由中心孔向輥面擴(kuò)展開(kāi)裂。

為了便于分析，將徑向斷口“V”型區(qū)域?qū)?yīng)的軸向裂紋定為1#裂紋，將對(duì)應(yīng)180°的軸向裂紋定為2#裂紋。從裂紋走向和張開(kāi)的形貌特征分析，裂紋路徑走向接近鋸齒狀，可定為晶間斷裂（見(jiàn)圖13、圖14所示），屬于脆性特征。因此，軋輥軸向開(kāi)裂宏觀上可以定為脆性疲勞開(kāi)裂。

圖13 1#軸向裂紋與中心孔交匯處照片

圖14 2#軸向裂紋與中心孔交匯處照片

2.1.2 徑向斷裂

根據(jù)用戶反饋，操作者先發(fā)現(xiàn)輥面漏水，過(guò)一段時(shí)間發(fā)生斷裂，就是說(shuō)軸向先開(kāi)裂，然后徑向斷裂。

再根據(jù)后斷裂部位應(yīng)該是前期裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，這樣徑向斷裂的起始部位就有兩種可能：

第一種在“V”型裂紋部位，裂紋順時(shí)針迅速擴(kuò)展一周360°然后斷開(kāi)，屬于扭轉(zhuǎn)開(kāi)裂特性，最終斷裂部位與軸向呈近45°角（見(jiàn)圖15）；

第二種是在“T”裂紋部位，裂紋向相反的方向雙向迅速擴(kuò)展半周180°然后斷開(kāi)，屬于擠壓開(kāi)裂特性，對(duì)應(yīng)180°轉(zhuǎn)角部位輥面有擠壓擦傷的痕跡。

圖15 斷口終斷區(qū)照片

為了表明上述兩種斷裂形式的可能性，在輥面裂紋兩側(cè)用黑色數(shù)字標(biāo)識(shí)1#裂紋（V型斷口側(cè)），白色數(shù)字標(biāo)識(shí)2#裂紋（T型斷口側(cè)），將帶有軸向裂紋的出水端段軋輥砸開(kāi)，觀察其裂紋形貌，如圖16所示。兩條軸向裂紋從內(nèi)孔到輥面均已裂透，銹蝕嚴(yán)重，裂紋面均穿過(guò)中心孔中心、周邊冷卻水孔中心和二者的連通孔中心，該裂紋面應(yīng)該是應(yīng)力集中面。2#軸向裂紋最先漏水，裂紋打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)靠近中心孔水銹顏色最深。1#軸向裂紋由兩條裂紋合并而成，中心孔側(cè)已貫通，輥面?zhèn)扔猩俨糠譀](méi)有斷開(kāi)，水銹顏色較重。圖17、圖18可見(jiàn)內(nèi)孔壁啟裂部位和放射狀花紋，裂紋向輥面擴(kuò)展呈弧形斷面，弧段到周邊水孔帶有疲勞開(kāi)裂的特征，判定中心孔邊緣為最早開(kāi)裂部位，確定為裂紋源。

圖16 軋輥內(nèi)部裂紋形貌照片

圖17 裂紋走向形貌照片

圖18 裂紋內(nèi)孔啟裂部位形貌照片

由此可以判斷，徑向斷口的裂紋源位于中心孔的邊緣或者說(shuō)軸向裂紋擴(kuò)展后形成的結(jié)果。

在1#裂紋靠近出水端的端面斜的冷卻水孔部位也找到了一處具有裂紋源特征的區(qū)域，定為NO2裂紋源，是次要裂紋源（如圖17、圖19所示）。1#軸向裂紋與徑向斷口在靠近內(nèi)孔區(qū)域呈近45°曲面圓滑貫通（如圖16、圖17所示）。本分析認(rèn)為1#軸向裂紋是徑向斷裂的起點(diǎn)，1#裂紋在中心孔內(nèi)壁處裂紋前端在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下改變方向，沿順時(shí)針?lè)较颍ㄅc轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反）與軸向呈一定的角度（約45°）擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展一周360°后又回到1#裂紋處，最終在輥面區(qū)域形成了交叉。

圖19 水端密封端蓋“人字”孔交叉處裂紋形貌照片

2#裂紋在徑向開(kāi)裂的同時(shí)與徑向斷口貫通，形成偽“T”型斷口。

2.2 斷口金相分析

將圖20中圓圈部位（1#裂紋開(kāi)始偏轉(zhuǎn)點(diǎn)）切割下來(lái)，加工成圖21所示的樣塊，將次斷口（軸向裂紋）面和垂直主斷口面磨光，從內(nèi)孔表面向輥面分成8個(gè)位置，兩個(gè)位置間隔約2.5 mm，依次觀察金相組織。圖21中主斷口即為徑向斷口面，次斷口即為縱向裂紋面。

圖21 內(nèi)孔壁區(qū)域取樣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°及金相檢驗(yàn)位置圖

圖20 傳動(dòng)端斷口取金相試樣部位（圓圈區(qū)域）

圖22 內(nèi)孔表面磷共晶組織100倍

圖23 內(nèi)孔表面磷共晶組織及微裂紋 500倍

從圖22可見(jiàn)，軋輥內(nèi)孔表面幾乎全部是磷共晶+碳化物復(fù)合物組織，組織粗大，放大后可見(jiàn)碳化物和磷共晶復(fù)合物組織上已經(jīng)出現(xiàn)許多微裂紋（如圖23所示）。

根據(jù)灰鑄鐵金相GB/T7216，軋輥內(nèi)孔表面部位石墨長(zhǎng)度評(píng)級(jí)為1～2級(jí)（如圖24所示），屬于粗大石墨，影響基體強(qiáng)度。

斷口邊緣為粗大網(wǎng)狀磷共晶+碳化物復(fù)合物組織（如圖25所示），基體脆弱。

圖24 主斷口靠近內(nèi)孔表面的石墨形貌 100倍

圖25 主斷口靠近內(nèi)孔表面的金相組織 100倍

圖26 距離內(nèi)孔表面約10 mm處的金相組織100倍

圖27 軸向裂紋靠近內(nèi)孔表面的金相組織100倍

距離內(nèi)孔表面約10 mm處的金相組織仍為粗大網(wǎng)狀磷共晶+碳化物復(fù)合物組織（如圖26所示），基體脆弱。

石墨長(zhǎng)度評(píng)級(jí)為1～2級(jí)，屬于粗大石墨，影響基體強(qiáng)度。

軸向裂紋靠近內(nèi)孔表面約10 mm距離的金相組織，石墨長(zhǎng)度評(píng)級(jí)為1～2級(jí)，仍為粗大石墨如圖27，圖28，基體強(qiáng)度很低。

圖28 軸向裂紋靠近內(nèi)孔表面10 mm處金相組織

總體來(lái)看，試樣從內(nèi)孔表面沿裂紋擴(kuò)展方向向輥面距離內(nèi)孔表面深度約20 mm，有10 mm～15 mm深的范圍，金相組織為粗大的網(wǎng)狀磷共晶——碳化物復(fù)合物+粗大石墨組織，強(qiáng)度很低，極易開(kāi)裂，共晶組織中已出現(xiàn)多條微裂紋。

2.3 強(qiáng)度檢測(cè)

圖29所示軸端3個(gè)圓孔為套取的3個(gè)試棒，進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表2所示，抗拉強(qiáng)度平均值為161.7 MPa；化工部標(biāo)準(zhǔn)HG/T3108要求軸頸取樣抗拉強(qiáng)度≥180 MPa；實(shí)際強(qiáng)度值低于標(biāo)準(zhǔn)值10.2%.

圖29 出水端軸端套料區(qū)域照片

表2 軋輥軸頭取樣進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

2.4 化學(xué)成分檢測(cè)

從軋輥碎片中，取白口區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，光譜分析結(jié)果如表3所示。從表3的分析結(jié)果可見(jiàn)，除了S元素含量較低外，其余元素均合格。

表3 實(shí)測(cè)化學(xué)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.5 有限元應(yīng)力分析

有限元計(jì)算主要加載條件為：輥筒直徑：760mm，輥面長(zhǎng)度2340mm，工作部分長(zhǎng)度2000mm，軋輥工作線速度 7 m/min～70 m/min，電機(jī)功率56 0 kW，軋輥支撐點(diǎn)跨距3 140 mm，輥筒總橫壓力220 t，工作溫度40℃～60℃.

輥筒工作時(shí)最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）發(fā)生在出水端冷卻水孔端面部位（見(jiàn)圖30、31所示）。

輥筒工作面等效應(yīng)力計(jì)算值出水端大于傳動(dòng)端（見(jiàn)圖32、33所示）。佐證了輥筒出水端首先出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖30 輥筒最大主應(yīng)力

圖31 輥筒最大主應(yīng)力縱截面圖

圖32 760軋輥等效應(yīng)力圖

圖33 760軋輥等效應(yīng)力縱剖面

在距離出水端400 mm處橫截面（裂紋源截面）的等效應(yīng)力最大值為44.3 MPa（見(jiàn)圖34所示）和主應(yīng)力25.147 MPa（見(jiàn)圖35所示）均出現(xiàn)在內(nèi)孔邊緣部位，與該處出現(xiàn)疲勞裂紋源相吻合；

在距離出水端800 mm處（即斷口附近）橫截面的等效應(yīng)力最大值為25.9 MPa（見(jiàn)圖36）和最大主應(yīng)力23.137 MPa（見(jiàn)圖37）均發(fā)生在輥面部位，與該處的徑向斷裂有關(guān)聯(lián)。

圖34 距出水端400 mm處等效應(yīng)力圖

圖36 距出水端800 mm處等效應(yīng)力圖

3 結(jié)論

該軋輥斷裂性質(zhì)屬于在交變載荷作用下，軋輥受到擠壓+彎曲+扭轉(zhuǎn)綜合應(yīng)力作用，致使中心孔軸向疲勞開(kāi)裂然后徑向斷裂，裂紋從內(nèi)孔壁啟裂向輥面擴(kuò)展開(kāi)裂，裂紋起源于內(nèi)孔壁粗大的網(wǎng)狀磷共晶-碳化物復(fù)合物和粗大石墨。軸向開(kāi)裂在先，徑向扭轉(zhuǎn)斷裂在后。主要原因如下：

1）軋輥開(kāi)裂處內(nèi)孔壁存在10 mm～15 mm深層的粗大網(wǎng)狀磷共晶-碳化物復(fù)合物和粗大石墨組織，強(qiáng)度很低，很脆。工作時(shí)受拉壓交變載荷作用和冷卻水溫度不斷變化的影響，發(fā)生了低周疲勞開(kāi)裂；

2）從現(xiàn)場(chǎng)查到的電機(jī)功率值已經(jīng)超出記錄表范圍，可能存在超負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象；

圖35 距出水端400 mm處主應(yīng)力橫截面圖

圖37 距出水端800 mm處最大主應(yīng)力橫截面圖

3）從輥面擦傷痕跡來(lái)看，可能有硬的異物進(jìn)入輥縫中間，造成瞬間過(guò)載扭轉(zhuǎn)斷裂。

建議整改措施如下：

1）改進(jìn)軋輥鑄造工藝和鐵水質(zhì)量控制，改善和細(xì)化輥筒內(nèi)孔壁的金屬組織結(jié)構(gòu)，提高軋輥強(qiáng)度；

2）建議用戶避免超負(fù)荷運(yùn)行；

3）預(yù)防硬的異物進(jìn)入機(jī)器輥縫。

［1］ 上海交通大學(xué)《金屬斷口分析》編寫(xiě)組.金屬斷口分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

［2］ 黃建民.低合金冷硬鑄鐵軋輥生產(chǎn)［J］.鑄造設(shè)備研究，2002（1）：46-48.