Cr5支承輥接觸疲勞損傷及其次表層組織變化

李彥龍， 吳 瓊， 秦曉峰， 劉常升

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2.遼寧增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110200；3.寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司， 上海 201900； 4.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

支承輥是現(xiàn)代軋機(jī)中的重要部件，其性能和使用狀態(tài)直接決定著帶鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，因而得到越來越多生產(chǎn)企業(yè)的重視[1].支承輥與中間輥或工作輥配對(duì)使用，用于傳遞軋制力，提高工作輥的彎曲剛度[2].支承輥的使用特點(diǎn)對(duì)其設(shè)計(jì)和制造提出了較高的要求，目前大型板帶軋機(jī)廣泛采用5%Cr系列鍛鋼支承輥[3].國內(nèi)外學(xué)者對(duì)Cr5支承輥接觸疲勞進(jìn)行了大量研究.Liddle等[4]對(duì)接觸疲勞損傷而引起的支承輥失效行為進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出了支承輥維護(hù)方案.磨損、點(diǎn)蝕和剝落是支承輥的主要失效形式，通過定期預(yù)防性修磨可以有效減少支承輥失效行為的發(fā)生.Schrama[5]對(duì)支承輥滾動(dòng)接觸疲勞次表層裂紋萌生與擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究.Ohkomori等[6]采用有限元仿真技術(shù)對(duì)支承輥接觸疲勞損傷引起的II型裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究.支承輥在工作中承受的循環(huán)交變接觸應(yīng)力會(huì)引起支承輥次表層接觸疲勞，從而引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致支承輥剝落失效.Qin等[7-9]對(duì)支承輥滾動(dòng)接觸疲勞損傷分布進(jìn)行了研究.支承輥疲勞損傷最大值位于其次表層，隨著損傷累積有向表面移動(dòng)的趨勢(shì)，通過制定合理的修磨計(jì)劃可使疲勞損傷最大值逐步趨于某一恒定值.接觸疲勞損傷引起支承輥材料硬化升高，X射線衍射半高寬降低，同時(shí)出現(xiàn)明顯的白色腐蝕區(qū).劉學(xué)偉等[10]對(duì)剝落失效的Cr5支承輥進(jìn)行了分析.裂紋在疲勞硬化層萌生，在淬硬層內(nèi)沿著圓周方向擴(kuò)展，最終到達(dá)表面引起大面積剝落.王玉輝等[11]對(duì)支承輥滾動(dòng)接觸疲勞過程中的表層組織演變進(jìn)行了研究.支承輥表層材料在接觸應(yīng)力作用下發(fā)生馬氏體相變，殘余奧氏體含量降低.

本文在前人工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)支承輥使用過程中的疲勞失效現(xiàn)象，選用Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的支承輥用鋼為研究材料，采用現(xiàn)代理化方法對(duì)接觸疲勞損傷過程及其所引起的次表層微觀組織變化進(jìn)行分析，旨在為支承輥研發(fā)、制造和使用提供指導(dǎo).

1 研究材料及方法

1.1 研究材料

研究用鋼由堿性真空爐冶煉，在精煉爐內(nèi)精煉，進(jìn)行真空除氣后在真空爐內(nèi)進(jìn)行澆鑄.表1為接觸疲勞試樣的化學(xué)成分.根據(jù)GB10622—89規(guī)定的金屬材料接觸疲勞試驗(yàn)方法制備接觸疲勞試樣.圖1為接觸疲勞環(huán)試樣尺寸，其中上環(huán)為主試樣，模擬支承輥，下環(huán)為陪試樣，模擬工作輥.使用RX4-48-11型箱式電阻爐對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，800 ℃淬火1 h，150 ℃恒溫回火2 h，試樣初始硬度約為50 HRC(510 HV).

1.2 研究方法

按照GB10622—89的規(guī)定，在JPM-30型滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn).表2為接觸疲勞試驗(yàn)條件，接觸應(yīng)力分4級(jí)取值.試驗(yàn)結(jié)果采用雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)分析并繪制P-S-N曲線.以額定失效概率P=10%,循環(huán)次數(shù)N=3×107時(shí)的接觸應(yīng)力S值作為試驗(yàn)材料的疲勞強(qiáng)度.在P-S-N曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行接觸疲勞中斷試驗(yàn)，疲勞壽命分4級(jí)取值.

表1 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)條件

圖1 滾動(dòng)接觸疲勞試樣尺寸

對(duì)接觸疲勞試驗(yàn)后的主試樣環(huán)進(jìn)行剖切.采用CSM型顯微壓痕測(cè)試儀測(cè)量接觸疲勞層的顯微硬度，采用Rigaku型X射線衍射應(yīng)力儀測(cè)量接觸疲勞試樣的殘余應(yīng)力，以初步分析接觸疲勞可能引起的支承輥材料結(jié)構(gòu)變化.在此基礎(chǔ)上，以4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液為腐蝕劑，采用LSM5型金相顯微鏡(OM)、S-4200型掃描電子顯微鏡(SEM)和 JEM-200CX型透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)試樣次表層組織進(jìn)行精細(xì)表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞強(qiáng)度

圖2為支承輥材料的P-S-N曲線，圖中箭頭所指點(diǎn)為循環(huán)次數(shù)到達(dá)6×106次尚未失效的點(diǎn).在P=10%，N=3×107條件下，支承輥鋼的疲勞強(qiáng)度為1 070 MPa.表3為接觸應(yīng)力為2 000 MPa 時(shí)支承輥環(huán)試樣的滾動(dòng)接觸疲勞中斷試驗(yàn)結(jié)果.

圖2 支承輥鋼P(yáng)-S-N曲線

表3 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞中斷試驗(yàn)結(jié)果

2.2 表面剝落分析

圖3為不同壽命比例下滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣的表面形貌.由圖可知，滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣表面存在不同形態(tài)不同數(shù)量的剝落坑.當(dāng)壽命比例較低時(shí)，剝落坑呈片狀，數(shù)量較少，大多孤立存在；隨著壽命比例的增加，剝落坑的數(shù)量明顯增多，并且出現(xiàn)連接成片的麻點(diǎn)狀剝落坑.

圖3 不同壽命比例的滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣表面形貌

圖4為不同壽命比例下接觸疲勞環(huán)試樣的平均剝落質(zhì)量.由圖4可知，接觸疲勞環(huán)試樣的平均剝落質(zhì)量在0.2～8.5 g之間，平均剝落質(zhì)量隨著壽命比例的增加而逐漸增大.

圖4 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣平均剝落質(zhì)量

2.3 顯微硬度

圖5a為不同壽命比例下滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣沿徑向的硬度分布結(jié)果.顯微硬度測(cè)量范圍為距表面100～2 000 μm，測(cè)量間距為100 μm.由圖5a可知， 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)后不同壽命比例的環(huán)試樣硬度均有所升高，其硬度最大值位于環(huán)試樣次表層，距表面約400 μm.當(dāng)深度小于400 μm時(shí)，顯微硬度隨著深度的增加而增大；當(dāng)深度在400～1 200 μm范圍內(nèi)時(shí)，顯微硬度隨著深度的增加而逐漸減??；當(dāng)深度大于1 200 μm時(shí)，顯微硬度基本保持不變.圖5b為不同壽命比例的支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣次表層最大硬化量分布情況.由圖5b可知，在不同壽命比例下支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣次表層最大硬化量在0.45～1.02 GPa以內(nèi)，最大硬化量隨著壽命比例的增加而增大.支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣受交變接觸應(yīng)力作用，在試樣的次表層會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷.其宏觀表現(xiàn)之一為顯微硬度升高[12-13].因此可以使用顯微硬度的變化來衡量支承輥材料次表層疲勞損傷程度.

綜合圖5a和圖5b可知，支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣疲勞損傷主要位于其次表層，在距表面約400 μm處達(dá)到最大值，深度范圍約1 200 μm.支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣不同壽命比例的疲勞損傷程度與其壽命密切相關(guān)，并且隨著壽命比例的增加而增大.

圖5 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣硬度分布

2.4 殘余應(yīng)力

圖6為不同壽命比例的滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣沿徑向的殘余應(yīng)力分布結(jié)果.殘余應(yīng)力測(cè)量范圍為距表面100～1 500 μm，測(cè)量間距為100 μm.由圖6可知，滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)后不同壽命比例的環(huán)試樣殘余應(yīng)力均有所降低，其殘余應(yīng)力最小值位于環(huán)試樣次表層距表面約400 μm處.當(dāng)深度小于400 μm時(shí)，殘余應(yīng)力隨著深度的增加而減??；當(dāng)深度在400～1 200 μm范圍內(nèi)時(shí)，殘余應(yīng)力隨著深度的增加而逐漸增大；當(dāng)深度大于1 200 μm時(shí)，殘余應(yīng)力基本保持不變.在相同深度下，支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣的殘余應(yīng)力隨著壽命比例的增加而減小.這表明支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣疲勞損傷主要位于其次表層400 μm處，其疲勞損傷程度隨著壽命比例的增加而增大.

2.5 微觀組織

圖7為支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣的金相組織.由圖7可知，支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣材料在4%體積分?jǐn)?shù)的硝酸酒精溶液腐蝕后出現(xiàn)了明顯的白色腐蝕區(qū).白色腐蝕區(qū)從表面向心部擴(kuò)展，深度約為730 μm.這表明在接觸疲勞試驗(yàn)后支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣次表層材料的耐腐蝕性有所增加[14-16]，其微觀組織發(fā)生了變化.

圖6 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣的殘余應(yīng)力

圖7 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣OM組織形貌

圖8為初始環(huán)試樣的微觀組織形貌.由圖8可知，滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣原始組織主要為下貝氏體，并含有少量的回火馬氏體，以下貝氏體為主.下貝氏體邊界和內(nèi)部均分布有大量的顆粒狀碳化物.貝氏體組織邊界清晰，且邊界相互平行.

從前面的分析可知，支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣疲勞損傷程度最大值位于距表面約400 μm的次表層.因此選取壽命比例分別為20%和100%環(huán)試樣，對(duì)其距表面400 μm附近的微觀組織進(jìn)行分析，以研究壽命比例對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞過程中支承輥次表層微觀組織的影響.圖9為不同壽命比例的支承輥環(huán)試樣次表層微觀組織.圖9a和9c分別為壽命比例為20%的支承輥環(huán)試樣的SEM與TEM形貌.由圖可知，壽命比例為20%的環(huán)試樣次表層組織以下貝氏體為主，同時(shí)含有少量的回火馬氏體.貝氏體與馬氏體邊界不清晰，貝氏體束條呈現(xiàn)破碎趨勢(shì).圖9b和9d分別為壽命比例100%的支承輥環(huán)試樣的SEM與TEM形貌.由圖可知，壽命比例為100%的環(huán)試樣次表層組織仍以下貝氏體為主，貝氏體邊界模糊程度加劇，貝氏體束條出現(xiàn)較大程度破碎，分化成較小尺度的二次板條.由圖8和9對(duì)比可知，滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)后的環(huán)試樣其次表層組織與初始試樣相比發(fā)生了明顯的變化.其組織仍以下貝氏體為主，貝氏體組織尺寸有所減小，貝氏體與馬氏體邊界變得不清晰，貝氏體束條呈現(xiàn)破碎趨勢(shì)，束條內(nèi)位錯(cuò)密度有所增加，局部束條內(nèi)存在少量碳化物.上述現(xiàn)象說明，疲勞損傷將導(dǎo)致支承輥次表層中板條馬氏體和下貝氏體組織的破碎，同時(shí)生成較小尺度的二次板條.組織破碎程度隨著壽命比例的增加而逐漸增大.

圖8 支承輥滾動(dòng)接觸疲勞初始環(huán)試樣微觀形貌

圖9 不同壽命比例的支承輥滾動(dòng)接觸疲勞環(huán)試樣微觀組織形貌

綜上所述，支承輥在使用過程中受到交變接觸應(yīng)力作用會(huì)在其次表層發(fā)生疲勞損傷，在接觸應(yīng)力不變的情況下其疲勞損傷程度隨著壽命比例的增加而增大.疲勞損傷將引起支承輥材料組織發(fā)生破碎，位錯(cuò)密度升高.支承輥次表層組織發(fā)生破碎，生成較小尺寸的二次板條等亞結(jié)構(gòu).這些亞結(jié)構(gòu)會(huì)增加晶粒的比表面積從而導(dǎo)致支承輥次表層硬度增加[17]、殘余應(yīng)力降低[18-19]、耐腐蝕性增強(qiáng).支承輥材料硬度增加將導(dǎo)致其韌性降低，裂紋易于在疲勞硬化層萌生[20]，在接觸應(yīng)力的作用下擴(kuò)展，最終引發(fā)支承輥剝落.

3 結(jié) 論

1) 支承輥鋼疲勞強(qiáng)度為1 070 MPa，其工作層組織為下貝氏體和回火馬氏體.

2) 在交變接觸應(yīng)力作用下，支承輥發(fā)生接觸疲勞損傷的最大值位于距表面約400 μm的支承輥次表層.疲勞損傷將引起支承輥材料組織發(fā)生破碎，位錯(cuò)密度升高.同時(shí)表現(xiàn)為支承輥顯微硬度升高，殘余應(yīng)力降低，耐腐蝕性增強(qiáng).在接觸應(yīng)力不變的情況下，支承輥滾動(dòng)接觸疲勞損傷程度隨著壽命比例的增加而增大.

3) 接觸疲勞損傷將導(dǎo)致支承輥材料韌性降低，從而易于萌生裂紋，裂紋在接觸應(yīng)力的作用下擴(kuò)展，最終引發(fā)支承輥剝落.支承輥的剝落風(fēng)險(xiǎn)隨著疲勞壽命比例的增加而增大.