冷轧机轧辊的疲劳断裂分析

谷国刚

(山东泰山钢铁集团有限公司新材料研究所，山东271100)

冷轧机轧辊的疲劳断裂分析

谷国刚

(山东泰山钢铁集团有限公司新材料研究所，山东271100)

研究分析疲劳断裂形成的机理，主要针对冷轧机轧辊疲劳断裂造成的轧辊脱皮事故进行了分析。通过理论与实际的结合采用宏观检测方法，明确了轧辊疲劳断裂的原因。

冷轧机;轧辊;疲劳断裂

疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一。有关资料表明，在各类金属零件断裂分析中，疲劳断裂约占80%，因此金属材料疲劳断裂的研究仍然是值得关注的重点问题。本文主要研究分析了单机架6辊HC可逆冷轧机轧辊疲劳断裂造成脱皮等事故的原因。

1 常见轧机轧辊疲劳断裂形态

冷轧机轧辊在工作过程中发生疲劳断裂的形态多种多样，有的局部脱皮，有的脱皮面积大于辊面长度的1/2，严重者则造成轧辊断裂。

疲劳断裂的一般形式有两种，即由切应力引起的切断疲劳和由正应力引起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂都是这两种基本形式在不同条件下的复合。

轧机轧辊在工作过程中受力较为复杂，其断裂面形态有多种多样，因此其断裂形式一般也是由正应力及切应力引起的复合断裂。

单纯由切应力引起的疲劳断裂的力学条件是切应力/缺口切断强度≥1，正应力/缺口正断强度＜1。切断疲劳的特点是疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态;初裂纹所在的平面与应力轴约成45°角，并沿其滑移面扩展。

单纯由正应力引起的疲劳断裂的力学条件是正应力/缺口正断强度≥1，切应力/缺口切断强度＜1。正断疲劳的特点是疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态;初裂纹所在的平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。

正应力及切应力引起的疲劳断裂如图1所示。

2 轧辊疲劳断裂断口的宏观形貌特征

典型的疲劳断裂从断口上可明显分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。

由图2可以明显地看出，“AB”曲线是疲劳断裂的疲劳源区，“C”区是疲劳裂纹的扩展区，“D”区、“E”区是瞬时断裂区。

2.1 疲劳源区

图1 正应力及切应力引起疲劳断裂示意图Figure 1 Schematic diagram of normal stress＆shear stress generating the fatigue fracture

疲劳源区即是疲劳裂纹的萌生区。在疲劳断口上，它是一个光滑、细腻的小区域，用肉眼或用低倍放大镜就能判断其位置。它是疲劳破坏的起点，这个区域在整个疲劳断口中所占比例很小，实际在疲劳断口上通常指放射源的中心点或贝壳纹的圆心。一般情况下，一个疲劳断口只有一个疲劳源，但在反复弯曲时可出现两个疲劳源甚至多个疲劳源。

在疲劳断裂的失效分析中，从疲劳断口上找到起始疲劳源是分析疲劳断裂形成原因的关键。

2.2 疲劳裂纹扩展区

疲劳裂纹扩展区，是疲劳裂纹的亚临界扩展区，是疲劳断口上重要的特征区域。该区域形态多种多样，可以是光滑的，也可以是瓷状的，可以有明显的贝纹线，也有的看不出明显的贝纹线，具体形态将取决于构件所受的应力状态及运行情况。但在此区域内，表面比疲劳源区粗糙、发暗。

冷轧机工作辊在运行过程中由于反复开机、停机、正转、反转，以及设备振动等影响，一般在其疲劳断口的疲劳裂纹扩展区能观察到明显的贝纹线。图3所示为典型的疲劳断口贝纹线和疲劳源区。

2.3 瞬时断裂区

瞬时断裂区即是快速静断区。当疲劳裂纹扩展到一定程度时，构件的有效承载面承受不了当时的载荷而发生快速断裂。断口平面基本与主应力方向垂直，粗糙的晶粒状脆断基本呈放射线状。在轧机工作辊的疲劳断裂中该区域占断口面积的比例较大。

轧机轧辊疲劳断裂属于扭转疲劳断裂，其轧辊表面上各点的应力值最大，心部应力值最小，所以在轧辊表面上的各点均有相同的疲劳源萌生机会。一般轧辊的扭转疲劳断裂的断口形貌主要有以下三种类型:

(1)正向断裂，断裂表面与轴向呈45°角，即沿最大正应力作用的平面发生断裂;

(2)切向断裂，断面与轴向垂直，即沿着最大切应力所在的平面断裂，横断面齐平;

(3)混合断裂，横断面呈阶梯状，即沿着最大切应力所在的平面起裂，并在正应力作用下扩展引起的断裂。

一般正向断裂的宏观形貌为纤维状，不易出现疲劳弧线，切向断裂较易出现疲劳弧线。

3 轧辊疲劳断口的微观形貌特征

疲劳断口的微观形貌特征是在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等，如图4所示。

4 疲劳断裂原因分析

4.1 零件的结构形状

图2 轧辊疲劳断裂脱皮宏观形貌图Figure 2 Macro appearance of themill roll fatigue fracture＆skin peel off

图3 疲劳断口的贝纹线和疲劳源区Figure 3 Shellmark and fatigue source zone of fatigue fracture

零件的结构形状不合理，主要表现在零件中的最薄弱部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最易在此处萌生。

4.2 表面状态

不同的切削加工方式(车、铣、刨、磨、抛光)会形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。

4.3 材料及其组织状态

材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生。金属材料的组织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般情况下材料组织的不均匀性，如非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。

4.4 装配与联接效应

装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容易出现的问题是，认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利，使用实践和疲劳试验表明，这种看法具有很大的片面性。

图4 疲劳断裂的微观形貌特征Figure 4 Microscopic appearance of fatigue fracture

图5 CR081L中间辊脱皮形貌Figure 5 CR081L intermediate roll skin peeling off appearance

图6 脱皮断口形貌Figure 6 Appearance of roll skin peeling off and fracture

图7 疲劳源形态Figure 7 Appearance of fatigue fracture source

4.5 使用环境

环境因素(低温、高温及腐蚀介质等)的变化，使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。

5 疲劳断裂失效分析实例

2010年某冷轧厂1 700 mm轧机CR081L中间辊发生表面脱皮事故，该辊辊号CR081L，原辊径500 mm，共磨削17次，现辊径491.10 mm，单边减径4.45 mm。该轧辊脱皮面积较大，接近辊身长度1/2。脱皮形貌见图5，脱皮断口形貌见图6。

由图6可以明显看出两个特征:(1)整个断口周边上，断裂纤维都是由内向外发散。也就是说，脱皮是由内向外进行的。(2)脱皮是典型的疲劳断裂。稳定疲劳区是“1”、“2”、“3”，其余断面是快速疲劳区和瞬时断裂区。根据疲劳断裂的“贝壳纹”清晰程度和断口的细腻程度，并根据断裂纤维的接续次序，确定“1”区为起始疲劳区，依次是“2”、“3”区。

仔细观察“1”区起始疲劳区发现“1”区起始疲劳区的疲劳源是“ABCD”曲线(见图7)，它不仅是“1”区的疲劳源，也是瞬时断裂的终止线。其中，“AB”段接近直线，“CD”段接近圆弧线。

“ABCD”曲线距中间辊表面约15 mm。若该处缺陷是中间辊内部存在的缺陷，那说明该轧辊的疲劳断裂是轧辊制造的问题;若该处缺陷是轧辊表面裂纹的延伸，那么该轧辊的疲劳断裂就与轧辊的磨削、使用有关。因此在分析轧辊疲劳断裂的过程中找到轧辊的起始疲劳区，确定轧辊的疲劳源，明确疲劳源的形成原因是分析轧辊疲劳断裂的关键。

图8 对应疲劳源“ABCD”曲线的轧辊脱皮掉块Figure 8 Roll skin peeling off fragment corresponding to the fatigue source“ABCD”curve

图9 掉块断裂纤维由内向表面发散繁殖Figure 9 Fracture fibers of peeling off fragment propagating to the surface from inside

针对该轧辊疲劳断裂进行分析。为了明确轧辊“1”区起始疲劳区的疲劳源是“ABCD”曲线的形成原因，找出了与轧辊“ABCD”曲线对应的疲劳脱皮掉块，在掉块的断口上找到“ABCD”曲线的相应位置“A'B'C'D'”(见图8)。

“ABCD”曲线是线条，不是裂纹。在掉块的中间辊表面上，没有相对于“ABCD”曲线的表面裂纹。掉块通向轧辊表面的断裂面，切断双向快速疲劳纤维(见图8)，而且断裂纤维是由内向中间辊外表面发散的(见图9)，也就是说，中间辊掉块是由内部产生的。这就可以肯定“ABCD”曲线是中间辊内部存在的缺陷，不是中间辊表面裂纹的延伸。

根据以上对轧辊疲劳断裂脱皮的宏观分析，可以推测轧辊疲劳脱皮过程是由轧辊的内部缺陷“ABCD”线条引起“1”区稳定疲劳，当疲劳裂纹发展到一定程度后，引发稳定疲劳区“2”和“3”，当这些疲劳区扩展到一定程度后，引发两侧快速(双向或单向)疲劳，进而导致中间辊瞬断脱皮。所以该轧辊疲劳断裂脱皮是由轧辊内部缺陷造成的，与轧辊使用等无关。

结合以上实例推论，若在轧辊“ABCD”曲线对应的疲劳脱皮掉块上发现存在表面裂纹，或观察掉块通向轧辊表面的断裂面的断裂纤维是由外表面向轧辊内发散的，那就说明起始疲劳区的疲劳源“ABCD”线条是由外表面裂纹向辊身内部扩展造成的。则该轧辊疲劳断裂脱皮是轧辊使用或磨削不当造成表面产生微裂纹，微裂纹进一步向辊身内扩展，产生疲劳，达到一定程度后引起瞬断脱皮。

6 建议

通过研究疲劳断裂形成机理，并结合轧辊疲劳断裂造成脱皮事故的分析得出，冷轧机轧辊疲劳断裂形成原因除了轧辊制造的问题外，还有轧辊使用的问题。轧辊使用问题包括使用、维护、磨削、装配等。因此建议轧辊使用单位制定严格的轧辊管理制度，控制轧辊使用时的正常换辊。刚下线的轧辊要根据环境温度进行妥善处理。对于正常换辊及事故辊采用合理的磨削制度。对于磨削后上线前的轧辊一定要严格进行无损检测，防止轧辊表面存在未磨削掉的微裂纹，以免在使用过程中造成应力集中而产生疲劳或断辊事故。

编辑 李韦萤

Analysis on Fatigue Fracture of Cold Mill Roll

Gu Guogang

Mainly aiming at the cold mill roll skin peeling of caused by the fatigue fracture，the mechanism that creates the fatigue fracture has been researched and analyzed.Macroscopic examination has been used bymeans of the combination of theory and practice，the cause of the cold mill roll fatigue fracture has been determined.

cold mill;roll;fatigue fracture

TG316.1+92

B

2013—06—05