大型精軋支撐輥疲勞斷裂失效分析

張 強(qiáng)， 陳永平， 畢國喜， 王洪鵬

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 熱軋作業(yè)部， 河北 曹妃甸 063205)

支撐輥是現(xiàn)代精軋機(jī)關(guān)鍵部件之一，在軋鋼過程中需承受極高的軋制力和交變循環(huán)載荷，其服役環(huán)境極為復(fù)雜，在使用過程中易發(fā)生疲勞失效，進(jìn)而造成事故。軋輥基體中夾雜物的位置、尺寸及形狀對材料的疲勞性能都有較大的影響[1-3]。鋼中夾雜物是導(dǎo)致疲勞裂紋成核擴(kuò)展的重要原因[4-5]，且具有尖角形狀的非金屬夾雜物要比同尺寸球形夾雜物對疲勞強(qiáng)度的影響更大。Krewerth等[6]對不同鑄造條件下的42CrMo4鋼疲勞性能進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，疲勞失效原因?yàn)榛w內(nèi)部夾雜物引起，預(yù)測疲勞壽命的關(guān)鍵因子是：①夾雜物尺寸；②夾雜物深度；③裂紋萌生失效類型。周磊等[7]認(rèn)為軋輥內(nèi)部組織中存在夾雜物或氣孔，在交變應(yīng)力的作用下微裂紋在基體與夾雜物交界處萌生，隨著軋輥服役時(shí)間的延長，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大于該材料的斷裂韌性(K1C)時(shí)軋輥發(fā)生斷裂失效。洪友士等[8]分析了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，非金屬夾雜物同金屬基體界面存在“儲H+陷阱”，裂紋在“儲H+陷阱”附近萌生并緩慢擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定長度時(shí)材料發(fā)生斷裂。Murakami等[9]把非金屬夾雜物假想為裂紋，且將等效缺陷面積確定為非金屬夾雜物與最大主應(yīng)力垂直方向上的投影面積，最終確定了高強(qiáng)鋼硬度、夾雜物尺寸與其疲勞極限的關(guān)系，并建立了數(shù)學(xué)模型，該模型被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞分析。高古輝等[10]發(fā)現(xiàn)利用雙真空熔煉等先進(jìn)煉鋼手段減少鋼中非金屬夾雜物含量、同時(shí)細(xì)化組織能夠有效延長材料的疲勞壽命。雖然專家學(xué)者們對疲勞起裂的原因及機(jī)理進(jìn)行了諸多深入的分析，但與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，尤其是應(yīng)用于軋輥斷裂分析上仍然較少，故本文從現(xiàn)場實(shí)際出發(fā)，結(jié)合專家學(xué)者的理論，以某公司1580生產(chǎn)線斷裂支撐輥?zhàn)鳛檠芯繉ο?，分析?nèi)部非金屬夾雜物對精軋支撐輥中疲勞裂紋萌生及疲勞行為的影響。

1 試驗(yàn)材料及分析方法

軋輥輥身由兩種材料構(gòu)成，輥芯由石墨鑄鐵制成，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，下同)主要為3.5C、2.2Si、1.0Mn、0.03P、0.02S。工作層由軋輥常用Cr5鋼采用離心鑄造工藝鑄到輥芯上，其化學(xué)成分為0.55C、0.75Mn、0.75Si、0.4V、5Cr、0.5Ni、1.2Mo、0.3W、0.03P、0.02S。試樣取自某軋輥廠家的鑄鋼支撐輥斷裂后斷口，利用角磨機(jī)取下軋輥芯部材料后制成試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，利用拉伸試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)對其拉伸、沖擊性能進(jìn)行檢測；根據(jù)GB/T 4341.1—2014《金屬材料 肖氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》利用HS141型硬度計(jì)對軋輥硬度進(jìn)行檢測；利用角磨機(jī)取下斷口上疑似起裂源位置及附近的材料，利用金相砂紙及拋光劑對非起裂源試樣進(jìn)行打磨拋光；利用體視顯微鏡觀察斷口及夾雜物的宏觀形貌，利用ZEISS Axiovert A1型光學(xué)顯微鏡及Aspecx Explorer夾雜物分析掃描儀對非起裂源試樣的夾雜物形狀、大小及類型進(jìn)行觀察分析以確定軋輥內(nèi)部潔凈度，利用ZEISS EVO 18掃描電鏡對疑似起裂源試樣進(jìn)行觀察，同時(shí)利用掃描電鏡附帶的EDAX GENESIS能譜儀對疑似起裂源進(jìn)行微區(qū)成分分析，最終確定起裂源類型。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 軋輥芯部材料的組織、力學(xué)性能及潔凈度

軋輥芯部材料為球墨鑄鐵，經(jīng)950 ℃淬火+550 ℃回火后的組織主要為珠光體、棒狀滲碳體、球狀石墨及聚集在球狀石墨周圍的牛眼狀鐵素體。對試樣進(jìn)行組織觀察發(fā)現(xiàn)，基體中石墨球化程度較好，球狀石墨直徑在150～200 μm之間；棒狀滲碳體長度為50～350 μm，如圖1(a)所示；基體組織中珠光體呈片層狀，片層間距為0.45～0.60 μm，如圖1(b)所示。由表1可知，輥芯材料力學(xué)性能測試結(jié)果同軋輥廠家提供技術(shù)協(xié)議進(jìn)行對比，均滿足技術(shù)協(xié)議要求(檢測軋輥硬度通常使用肖氏硬度(HSD))。對輥芯試樣進(jìn)行夾雜物評級，最終評定夾雜物類別為D類(球狀氧化物)，級別為2.5級，如圖2(a)所示。在試樣截面上隨機(jī)截取30 mm2進(jìn)行夾雜物分類掃描，結(jié)果顯示組織潔凈度較差，主要夾雜物為Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-MgO、Al2O3類非金屬夾雜物，尺寸主要集中在10～15 μm，最大尺寸達(dá)到20 μm。試樣中非金屬夾雜物尺寸分布如圖2(b)所示。

圖1 軋輥芯部材料的顯微組織(a)基體；(b)片層狀珠光體Fig.1 Microstructure of the roller core material(a) matrix; (b) lamellar pearlite

圖2 軋輥芯部材料中非金屬夾雜物形貌(a)、類型及尺寸分布(b)Fig.2 Morphology(a)， type and size distribution(b) of the non-metallic inclusions in the roller core material

2.2 軋輥斷口觀察及疲勞裂紋萌生原理

本支撐輥在累計(jì)上機(jī)18 720.20 h后軋輥突然發(fā)生斷裂，經(jīng)現(xiàn)場觀察后發(fā)現(xiàn)，其斷口呈現(xiàn)典型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征，如圖3所示。對該輥斷口進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在斷口內(nèi)部不同位置出現(xiàn)兩個(gè)較為平坦的斷面，基本呈半圓形，在半圓形界面周圍存在明顯的裂紋擴(kuò)展撕裂棱，撕裂棱匯聚于半圓形平面的邊緣，因此初步判斷起裂源頭在斷口內(nèi)部半圓形平面處。在斷口半圓形界面中發(fā)現(xiàn)有大小不一的圓形小孔，且部分小孔中含有球狀?yuàn)A雜物，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)其直徑最大為3 mm，如圖4(a)所示，利用掃描電鏡及能譜儀對其進(jìn)行分析，確定其為Al2O3-MgO-SiO2復(fù)合夾雜物，夾雜物SEM放大圖及能譜如圖4(b，c)所示。其來源可能為爐襯耐火材料(其主要成分為Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-MgO等)剝落到鐵水中，隨后同鐵水進(jìn)入模具中鑄造，最終進(jìn)入軋輥內(nèi)部。

表1 軋輥芯部材料的力學(xué)性能

圖3 斷口表面的宏觀形貌(a)宏觀形貌；(b)半圓形平面；(c)另一半圓形平面Fig.3 Macro morphologies of fracture surface(a) macroscopic morphology; (b) semicircular plane; (c) another semicircular plane

支撐輥在服役過程中受軋制力和工作輥彎輥力共同作用，存在一定撓度，軋輥上下表面應(yīng)力呈相反狀態(tài)，即受交變應(yīng)力作用，且支撐輥在服役過程中高速旋轉(zhuǎn)，故軋輥在服役期間受力情況同旋彎疲勞測試受力情況相同。眾多學(xué)者[4-8]對鋼鐵材料中非金屬夾雜物導(dǎo)致試樣斷裂的機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為材料發(fā)生疲勞破壞的主要原因?yàn)榛w材料同非金屬夾雜之間存在應(yīng)力集中。其主要依據(jù)：①非金屬夾雜物彈性模量同基體存在顯著差別，在外部應(yīng)力作用下兩者界面處容易萌生裂紋；②在冷卻過程中基體同非金屬夾雜物的熱收縮性存在差異，冷卻后導(dǎo)致兩者之間存在空隙，為裂紋萌生提供了場所。對疑似起裂源試樣進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋源表面較為平坦且存在球狀非金屬夾雜物，球狀?yuàn)A雜物與基體界面處萌生微裂紋并開始擴(kuò)展，如圖5(a)所示。利用能譜儀對球狀非金屬夾雜物進(jìn)行成分分析，最終確定為Al2O3-MgO-SiO2復(fù)合夾雜物，如圖5(b)所示。

圖4 半圓形平面內(nèi)非金屬夾雜物的SEM形貌(a，b)及EDS能譜(c)Fig.4 SEM images(a，b) and EDS spectrum(c) of the non-metallic inclusions in a semicircular plane

圖5 球形非金屬夾雜物周邊萌生裂紋(a)和球形夾雜物能譜圖(b)Fig.5 Crack initiated around spherical non-metallic inclusion(a) and EDS spectrum of spherical inclusion(b)

2.3 軋輥疲勞裂紋的擴(kuò)展

根據(jù)相關(guān)學(xué)者[11]研究，裂紋在基體內(nèi)部夾雜物周圍萌生后呈環(huán)狀擴(kuò)展；當(dāng)裂紋尖端受拉應(yīng)力作用時(shí)，裂紋尖端的塑性變形會使得裂紋張開，裂紋會緩慢進(jìn)行擴(kuò)展，但當(dāng)裂紋尖端受到壓應(yīng)力作用時(shí)，裂紋尖端閉合，此時(shí)裂紋不再進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)Paris公式，裂紋萌生及擴(kuò)展主要分為3階段。第一階段為裂紋萌生階段，此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率極慢，根據(jù)Hong等[12]的研究，裂紋萌生初期的裂紋擴(kuò)展速率可達(dá)到10-10mm/cycle甚至更低。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定長度時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段(即裂紋擴(kuò)展第二階段)，此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率約為10-8～10-9mm/cycle[12]。且經(jīng)過裂紋尖端上下兩平面在交變應(yīng)力作用下經(jīng)過長時(shí)間反復(fù)“張開-閉合”摩擦，斷面較為光亮平坦，此區(qū)域Murakami等[13]稱之為“魚眼區(qū)(Fish-in-Eye)”。文獻(xiàn)[4-5,8-13]中所述魚眼區(qū)可與軋輥斷面中半圓形平面相對應(yīng)。根據(jù)Hong等[12]、魯連濤等[14]的研究，鋼鐵材料疲勞壽命的90%以上由形成魚眼區(qū)所占有。裂紋擴(kuò)展第三階段(瞬斷階段)為裂紋從魚眼區(qū)邊界繼續(xù)擴(kuò)展，此時(shí)裂紋快速擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK大于材料的斷裂韌性KIC時(shí)，材料發(fā)生斷裂。典型斷裂過程示意圖如圖6 所示。

圖6 經(jīng)典斷裂過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of the classical fracture process

利用公式(1)、(2)[13-15]計(jì)算可知，裂紋源處最大拉應(yīng)力可達(dá)到30 MPa，其中σw為軋輥表面所受應(yīng)力，P為軋制力，D為軋輥直徑，L0為軋機(jī)支撐輥壓下螺絲中心距，L為軋輥輥身直徑。h為起裂源距表面距離，σh為內(nèi)部起裂源所受應(yīng)力。根據(jù)Murakami等[13]對于非金屬夾雜物對鋼鐵材料疲勞性能影響的研究，非金屬夾雜物尺寸對材料的疲勞性能有顯著影響。

(1)

(2)

當(dāng)裂紋萌生于材料內(nèi)部時(shí)，其裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK為：

(3)

式中：σh為該裂紋源所處位置所受應(yīng)力值，Ai為內(nèi)部夾雜物尺寸的投影面積，ΔK單位為MPa·m1/2。其內(nèi)部裂紋的門檻值ΔKinc-th為：

(4)

式中：HV為材料的維氏硬度值。利用公式(3)、(4)計(jì)算該支軋輥內(nèi)部起裂時(shí)其裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKinc-th=0.176 MPa·m1/2，3 mm夾雜物處其裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子經(jīng)計(jì)算為1.385 MPa·m1/2，遠(yuǎn)大于內(nèi)部起裂裂紋擴(kuò)展門檻值，故支撐輥在使用初期裂紋便在此處萌生，也因此證明了裂紋源處應(yīng)力雖明顯小于材料的疲勞強(qiáng)度，但裂紋仍能在此形核。隨著上機(jī)時(shí)間的增加，裂紋進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段形成魚眼區(qū)，且觀察斷口發(fā)現(xiàn)斷面中有兩個(gè)魚眼區(qū)，即軋輥在使用過程中內(nèi)部有兩條裂紋在逐漸擴(kuò)展，如圖3(b，c)所示。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至魚眼區(qū)邊界，此時(shí)兩條裂紋已進(jìn)入瞬斷階段，裂紋快速擴(kuò)展最終匯聚形成一條長裂紋，此時(shí)軋輥無法承受軋制負(fù)荷，發(fā)生瞬斷。

3 結(jié)論

1) 精軋支撐輥芯部材料為球墨鑄鐵，其組織主要由片層狀珠光體、棒狀滲碳體，球狀石墨及聚集在球狀石墨周圍的牛眼狀鐵素體構(gòu)成。球狀石墨直徑約為150～200 μm之間；棒狀滲碳體長度為50～350 μm，基體組織中珠光體呈片層狀，片層間距0.45～0.60 μm。

2) 精軋支撐輥芯部球墨鑄鐵潔凈度較差，非金屬夾雜物類型主要為D類夾雜物，夾雜物評級為2.5級，夾雜物主要為Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-MgO、Al2O3等氧化物夾雜，尺寸集中在10～15 μm。

3) 精軋支撐輥斷口呈典型旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲斷口特征，裂紋源區(qū)位于軋輥內(nèi)部且為多源起裂。起裂源區(qū)呈半圓形，半圓形區(qū)域內(nèi)斷面較為光滑，呈典型“魚眼區(qū)”形貌。魚眼區(qū)內(nèi)存在大小不一的圓形小孔，且部分小孔中含有球形夾雜物，最大直徑為3 mm，為Al2O3-MgO-SiO2夾雜物。

4) 裂紋萌生于球狀非金屬夾雜物與基體的界面處。裂紋源處最大拉應(yīng)力為30 MPa，小于基體疲勞強(qiáng)度，但裂紋在基體內(nèi)非金屬夾雜物周圍萌生時(shí)其裂紋尖端最大應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=1.385 MPa·m1/2，遠(yuǎn)大于基體與非金屬夾雜物界面處裂紋擴(kuò)展門檻值(ΔKinc-th=0.176 MPa·m1/2)。裂紋在夾雜物附近形核并緩慢擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至“魚眼區(qū)”之外時(shí)，兩裂紋源區(qū)產(chǎn)生的裂紋在應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展并匯聚形成一條長裂紋，最終導(dǎo)致軋輥發(fā)生瞬斷。