李彥龍， 吳 瓊， 秦曉峰， 劉常升

(1.東北大學 材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110819； 2.遼寧增材制造產業(yè)技術研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110200；3.寶武鋼鐵集團有限公司， 上海 201900； 4.太原理工大學 機械與運載工程學院， 山西 太原 030024)

支承輥是現(xiàn)代軋機中的重要部件，其性能和使用狀態(tài)直接決定著帶鋼的產品質量，因而得到越來越多生產企業(yè)的重視[1].支承輥與中間輥或工作輥配對使用，用于傳遞軋制力，提高工作輥的彎曲剛度[2].支承輥的使用特點對其設計和制造提出了較高的要求，目前大型板帶軋機廣泛采用5%Cr系列鍛鋼支承輥[3].國內外學者對Cr5支承輥接觸疲勞進行了大量研究.Liddle等[4]對接觸疲勞損傷而引起的支承輥失效行為進行了研究，并在此基礎上提出了支承輥維護方案.磨損、點蝕和剝落是支承輥的主要失效形式，通過定期預防性修磨可以有效減少支承輥失效行為的發(fā)生.Schrama[5]對支承輥滾動接觸疲勞次表層裂紋萌生與擴展行為進行了研究.Ohkomori等[6]采用有限元仿真技術對支承輥接觸疲勞損傷引起的II型裂紋擴展行為進行了研究.支承輥在工作中承受的循環(huán)交變接觸應力會引起支承輥次表層接觸疲勞，從而引發(fā)裂紋萌生和擴展，最終導致支承輥剝落失效.Qin等[7-9]對支承輥滾動接觸疲勞損傷分布進行了研究.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的趨勢，通過制定合理的修磨計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，同時出現(xiàn)明顯的白色腐蝕區(qū).劉學偉等[10]對剝落失效的Cr5支承輥進行了分析.裂紋在疲勞硬化層萌生，在淬硬層內沿著圓周方向擴展，最終到達表面引起大面積剝落.王玉輝等[11]對支承輥滾動接觸疲勞過程中的表層組織演變進行了研究.支承輥表層材料在接觸應力作用下發(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上，針對支承輥使用過程中的疲勞失效現(xiàn)象，選用Cr質量分數(shù)為5%的支承輥用鋼為研究材料，采用現(xiàn)代理化方法對接觸疲勞損傷過程及其所引起的次表層微觀組織變化進行分析，旨在為支承輥研發(fā)、制造和使用提供指導.

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，在精煉爐內精煉，進行真空除氣后在真空爐內進行澆鑄.表1為接觸疲勞試樣的化學成分.根據(jù)GB10622—89規(guī)定的金屬材料接觸疲勞試驗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型箱式電阻爐對試樣進行熱處理，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型滾動接觸疲勞試驗機上進行試驗.表2為接觸疲勞試驗條件，接觸應力分4級取值.試驗結果采用雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)統(tǒng)計分析并繪制P-S-N曲線.以額定失效概率P=10%,循環(huán)次數(shù)N=3×107時的接觸應力S值作為試驗材料的疲勞強度.在P-S-N曲線的基礎上進行接觸疲勞中斷試驗，疲勞壽命分4級取值.

表1 支承輥滾動接觸疲勞試樣化學成分(質量分數(shù))

表2 滾動接觸疲勞試驗條件

圖1 滾動接觸疲勞試樣尺寸

對接觸疲勞試驗后的主試樣環(huán)進行剖切.采用CSM型顯微壓痕測試儀測量接觸疲勞層的顯微硬度，采用Rigaku型X射線衍射應力儀測量接觸疲勞試樣的殘余應力，以初步分析接觸疲勞可能引起的支承輥材料結構變化.在此基礎上，以4%(體積分數(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)對試樣次表層組織進行精細表征.

2 結果與討論

2.1 疲勞強度

圖2為支承輥材料的P-S-N曲線，圖中箭頭所指點為循環(huán)次數(shù)到達6×106次尚未失效的點.在P=10%，N=3×107條件下，支承輥鋼的疲勞強度為1 070 MPa.表3為接觸應力為2 000 MPa 時支承輥環(huán)試樣的滾動接觸疲勞中斷試驗結果.

圖2 支承輥鋼P-S-N曲線

表3 支承輥滾動接觸疲勞中斷試驗結果

2.2 表面剝落分析

圖3為不同壽命比例下滾動接觸疲勞環(huán)試樣的表面形貌.由圖可知，滾動接觸疲勞環(huán)試樣表面存在不同形態(tài)不同數(shù)量的剝落坑.當壽命比例較低時，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)連接成片的麻點狀剝落坑.

圖3 不同壽命比例的滾動接觸疲勞環(huán)試樣表面形貌

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

圖4 支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣平均剝落質量

2.3 顯微硬度

圖5a為不同壽命比例下滾動接觸疲勞環(huán)試樣沿徑向的硬度分布結果.顯微硬度測量范圍為距表面100～2 000 μm，測量間距為100 μm.由圖5a可知， 滾動接觸疲勞試驗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.當深度小于400 μm時，顯微硬度隨著深度的增加而增大；當深度在400～1 200 μm范圍內時，顯微硬度隨著深度的增加而逐漸減小；當深度大于1 200 μm時，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接觸疲勞環(huán)試樣次表層最大硬化量在0.45～1.02 GPa以內，最大硬化量隨著壽命比例的增加而增大.支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣受交變接觸應力作用，在試樣的次表層會產生疲勞損傷.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處達到最大值，深度范圍約1 200 μm.支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣不同壽命比例的疲勞損傷程度與其壽命密切相關，并且隨著壽命比例的增加而增大.

圖5 支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣硬度分布

2.4 殘余應力

圖6為不同壽命比例的滾動接觸疲勞環(huán)試樣沿徑向的殘余應力分布結果.殘余應力測量范圍為距表面100～1 500 μm，測量間距為100 μm.由圖6可知，滾動接觸疲勞試驗后不同壽命比例的環(huán)試樣殘余應力均有所降低，其殘余應力最小值位于環(huán)試樣次表層距表面約400 μm處.當深度小于400 μm時，殘余應力隨著深度的增加而減?。划斏疃仍?00～1 200 μm范圍內時，殘余應力隨著深度的增加而逐漸增大；當深度大于1 200 μm時，殘余應力基本保持不變.在相同深度下，支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣的殘余應力隨著壽命比例的增加而減小.這表明支承輥滾動接觸疲勞環(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為支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣的金相組織.由圖7可知，支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣材料在4%體積分數(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)從表面向心部擴展，深度約為730 μm.這表明在接觸疲勞試驗后支承輥滾動接觸疲勞環(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 支承輥滾動接觸疲勞環(huán)試樣的殘余應力

圖7 支承輥滾動接觸疲勞環(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，對其距表面400 μm附近的微觀組織進行分析，以研究壽命比例對滾動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.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對比可知，滾動接觸疲勞試驗后的環(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，束條內位錯密度有所增加，局部束條內存在少量碳化物.上述現(xiàn)象說明，疲勞損傷將導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力作用會在其次表層發(fā)生疲勞損傷，在接觸應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構.這些亞結構會增加晶粒的比表面積從而導致支承輥次表層硬度增加[17]、殘余應力降低[18-19]、耐腐蝕性增強.支承輥材料硬度增加將導致其韌性降低，裂紋易于在疲勞硬化層萌生[20]，在接觸應力的作用下擴展，最終引發(fā)支承輥剝落.

3 結 論

1) 支承輥鋼疲勞強度為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，位錯密度升高.同時表現(xiàn)為支承輥顯微硬度升高，殘余應力降低，耐腐蝕性增強.在接觸應力不變的情況下，支承輥滾動接觸疲勞損傷程度隨著壽命比例的增加而增大.

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