UCM六辊连轧机中间辊表面接触应力疲劳裂纹扩展失效机理研究

鞠贤琴，谢晶，王辉

宝钢轧辊科技有限责任公司，江苏常州，213019

0 引言

辊身表面剥落是冷轧工作辊常见的失效形式，引起轧辊剥落的常见的原因有表面缺陷（如裂纹、软点）、次表层材质缺陷及接触应力[1]。按剥落划分一般可分为表面接触疲劳剥落和次表层疲劳剥落，其裂纹源的产生主要与轧制事故及修磨使用维护不当有关[2]。但冷轧中间辊的剥落案例较少，虽然冷轧中间辊的材质和热加工工艺基本相当，但硬度水平差距较大；另外中间辊在机服役周期长，辊面存在较明显的接触疲劳硬化现象，从而中间辊的剥落机理有所区别。本文以某冷轧厂5机架六辊连轧机中间辊辊身剥落失效为例，探讨了中间辊辊身剥落失效机理。

1 分析对象

某厂轧机中间辊在轧制周期内发生在线剥落事故，导致轧机停机2个半小时，生产评定为二级质量事故。涉及轧辊规格为φ545×2100×4800，材质为5%Cr，辊身表面硬度为78-82HSD。该辊最后一次上机直径为φ496.90、辊位：G1机架上辊、上机粗糙度为Ra0.98、辊形凸度0.05，上机轧制8000吨时发生剥落（正常换辊周期为12000吨）。剥落区裂纹源位置位于操作侧辊身1360mm位置。轧辊辊身表面剥落形貌如图1所示。

2 轧辊剥落分析

2.1 裂纹扩展轨迹分析

起始观察该辊剥落形貌如图2（1）所示，可以清晰地看到疲劳裂纹扩展痕迹I，方向如红色箭头所示，疑似裂纹源位置为红色线圈A所指向位置。其次，沿疲劳裂纹扩展痕迹向上游查找辊面发现聚集裂纹，如图2（2）红色线圈B所在位置。经现场了解，客户认为该辊辊位为上辊，疲劳裂纹扩展方向与轧辊工作时旋转方向一致，因此怀疑该辊次表层可能存在夹杂类缺陷导致本次掉皮事故。

为进一步探究该辊裂纹扩展萌生位置，现场通过敲击，将图2（2）中红色虚线框内已脱空区域敲下。首先，发现疲劳裂纹扩展痕迹Ⅱ和Ⅲ，方向如红色箭头所示，疲劳裂纹扩展痕迹间距较大，扩展行程较短，与本次轧辊旋转方向相反，裂纹源与A点并不重合，说明在本次轧制周期内形成表面裂纹后快速扩展而导致失效。其次，发现原有表面裂纹B点其皮下显示为挤压凹坑，说明B点表面裂纹产生是由于爆辊过程中瞬时挤压形成。

根据轧辊表面裂纹扩展理论，轧辊表面萌生裂纹后由于轧辊的旋转及轧制力的作用，表面裂纹沿径向和周向扩展，一般扩展的方向为径向与切向的45°方向，且与轧辊旋转方向相反；当裂纹扩展至韧性较好的过渡层时，由于径向韧性较好，裂纹不再沿径向扩展，而沿着过渡层向圆周方向扩展，轧辊每旋转一周，裂纹向前扩展“一步”，形成的轨迹称为疲劳驻痕；当裂纹扩展至一定程度，轧辊的强度降至剥落发生的程度时便产生剥落。裂纹扩展痕迹Ⅱ和Ⅲ该类典型表面微裂纹产生后，随裂纹扩展而形成的疲劳驻痕。

通常情况下，辊身表面裂纹沿圆周两个方向进行扩展，可以从轧辊在轧机中的位置及疲劳裂纹扩展痕迹间距等方面进行分析。疲劳裂纹扩展痕迹I与轧辊旋转方向一致，该类裂纹扩展形成可能在上一个轧制周期下辊使用时产生或在本次轧制过程中主裂纹扩展至失稳时停机后产生。

2.2 金相组织分析

为进一步分析疲劳裂纹扩展痕迹I的形成原因，对图2（8）中红色箭头指示意义圆点进行分析，将剥落试块按图2（8）中红色线框割取试样进行金相检测分析。试样经镶嵌、打磨、抛光等工序，在金相显微镜下进行分析。从图3（6）可知，在500倍下观察，该区域金相组织无明显异常，为回火隐晶马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体。其次，该区域存在多条微裂纹，如图3（4）和（5）所示。将试样放大至10倍观察，裂纹平行分布，间距大概为1000um，具有较强的规律性，可以初步说明该位置亦为疲劳裂纹。

如图3（3）所示，按疲劳裂纹扩展间距1000um，结合轧制速度和轧辊周长计算可得知疲劳裂纹扩展速率很快。在高疲劳裂纹扩展速率基础上进一步分析疲劳裂纹扩展痕迹I，如图4所示。其中，点a为疲劳裂纹萌生起点，裂纹源应在轧辊表面形成。点b区域疲劳裂纹密集，且沿径向呈一定角度向下扩展，扩展时间短暂，然后裂纹受到一定阻碍，在b的末端产生停顿点；裂纹继续扩展，形成c区扩展形貌，疲劳裂纹基本在同一径向面上，说明裂纹已扩展至淬硬层与非淬硬层交界区，裂纹难以进一步沿径向向心部扩展；此时，裂纹沿圆周方向迅速扩展形成d区；由于裂纹扩展至d区末端，该区域材料的强度已难以支撑轧制力和辊系间接触挤压应力，该区域处于严重失稳状态，裂纹经历短暂扩展形成e区，然后已脱空的区域在外力作用下剪切至辊身表面，伴随裂纹两端撕裂形成大面积剥落。整个过程经历时较为短暂。

从上述轧辊剥落区形貌特征和扩展路径分析，该辊剥落主因为在辊身表面A区附近产生表面微裂纹，在轧制过程中逆轧制方向沿疲劳裂纹扩展痕迹Ⅱ和Ⅲ扩展。伴随裂纹扩展导致轧辊表层失稳产生局部剥落后造成停机反转，从而产生短时疲劳裂纹扩展痕迹I。

2.3 轧辊硬度分析

进一步对辊身沿轴线进行硬度检测，辊身正常区域硬度为81HSD左右，在剥落区域圆周方向辊面硬度为86~87HSD，如图5辊身硬度测试曲线，说明该区域加工硬化比较明显，轧辊在轧制周期内已经产生了较大的疲劳累积。由于该位置位于轧制带钢边部，且该侧为中间辊窜入一侧，在与更高硬度的工作辊滚动接触时使得中间辊边部接触应力显著增加[3]。其次，中间辊在机服役时间长，且周期内采用3~5次工作辊换辊规程，这样中间辊的表面层始终保持着很高的接触应力，在高接触应力条件下很容易在中间辊表面萌生应力疲劳裂纹。

表面缺陷引发的剥落的显著特征是剥落面上存在明显的疲劳扩展条带，呈海滩型疲劳条纹和扇形断裂流线，疲劳条带轨迹可从几英寸长到环绕轧辊几个全圈，有时有一个亮的（摩擦的）或暗淡（氧化的）的外表，主疲劳裂纹的扩展方向一般与轧辊旋转方向相反。查看剥落块或未剥落区辊面通常能找到表面裂纹。

3 分析与讨论

轧辊表面剥落，主要分为6个阶段[4-5]。阶段1-阶段3为表面裂纹产生阶段。辊面热冲击区及应力集中区均可诱发表面裂纹的产生。随着轧辊的每次转动，整个轧辊表面在高拉应力与高压应力之间循环，单点上的任何应力集中都会导致表面裂纹的产生。阶段4为裂纹由表及里扩展阶段。在轧制力的作用下，表面裂纹以30°~45°方向沿径向和周向扩展通过轧辊淬硬层，在这一阶段，出现了明显的沿径向和圆周向的疲劳驻痕和“扇形”断裂流线。阶段5为裂纹周向扩展阶段。裂纹穿过淬硬层扩展至软硬交界区后，由于内部组织韧性较好，裂纹不再继续向内部扩展而是沿着圆周方向弥散。在第五阶段，疲劳轨迹继续出现明显的沿径向和圆周向的驻痕和“扇形”断裂流线。阶段6为剥落发生阶段。随着裂纹的持续扩展，当基体的屈服强度降到剥落发生的程度便引发剥落。根据轧辊材料的强度和轧制应力，第6阶段可在阶段4和阶段5之间的任何时间发生。这个断裂的最终阶段为瞬时的、脆性的，这可以通过从剥落面的断裂流线痕迹看到。

本案例中间辊辊身表面硬度检测具有明显加工硬化特征，辊身硬度从上机前81HSD上升到86HSD；金相检测分析找到了疲劳裂纹萌生起始点和分布特征，因此该辊失效主要与接触疲劳硬化有关，这样会导致原有表层淬火+回火组织形成微观区域退化现象。另一方面，轧辊在机服役后期，轧机辊缝中随着清洁度的下降以及轧制乳化液的冲刷不彻底等问题，在轧机辊系中引入了异质点，对辊身表面产生了局部异常冲击。在滚动接触疲劳和接触应力叠加作用下，在辊身表面萌生微裂纹，随着裂纹沿轧辊径向扩展至淬硬层和非淬硬层过渡区时，裂纹的扩展受到心部高韧性基体的阻碍开始沿圆周方向扩展，当轧制应力超过淬硬层强度时表层裂纹扩展区，即瞬时剥离辊身基体形成大面积的剥落。

在轧辊全生命周期轧制、修磨使用运维过程中可以通过以下几个方法预防表面缺陷引发的辊身表面剥落事故[6]。首先，尽量避免与轧制工况有关的轧辊损伤，诸如：软点、热冲击、热裂纹、辊印、划痕或任何可能作为应力集中的因素；如果作用在轧辊上的轧制应力大于轧辊材料强度，表面裂纹有可能在轧制周期内发生，弥散甚至剥落[5]。其次，可根据轧制钢种等级的不同，在轧制高强钢、硅钢等产品时适当缩短轧制周期，做好轧制计划安排，这样可有效降低轧辊表面疲劳程度和损伤机会。另外，在上机之前可在修磨过程中消除各种引起疲劳剥落的因素；修磨完成后对每支待上机轧辊建议都采用涡流+表面波探伤，确保轧辊不带缺陷上机。

4 结语

（1）轧辊剥落失效系辊面局部遭受冲击导致局部应力集中，在辊身表面A区附近产生表面微裂纹，在轧制过程中逆轧制方向沿疲劳裂纹扩展痕迹Ⅱ和Ⅲ扩展。伴随裂纹扩展导致轧辊表层失稳产生局部剥落后造成停机反转，从而产生短时疲劳裂纹扩展痕迹I。

（2）金相分析表明轧辊淬火组织为回火隐晶马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体，未见大块状夹杂类缺陷。

（3）中间辊在机服役周期较长，存在较明显的疲劳硬化现象；在与高硬度工作辊接触时使得中间辊边部接触应力显著增加。综合轧辊受力状态，中间辊身边部在高接触应力条件下容易产生应力疲劳裂纹，随着疲劳裂纹的扩展最终导致轧辊剥落失效。

（4）在中间辊服役中，可根据轧制钢种等级的不同适当调节轧制换辊周期，做好轧制排产计划，同时做好与之配对工作辊下机表面质量监测，进行分阶段排查，这样可有效降低中间辊因表层疲劳累积所引发失效；另外，定期对轧机辊缝的清洁度进行检测，确保轧机辊缝无异物或残铁等杂质咬入辊缝，形成质点挤压应力集中，避免轧辊表面瞬时接触应力过大产生表面裂纹缺陷。