锻钢轧辊缺陷产生的原因及对策.doc

锻钢轧辊在轧制中出现问题的原因及对策目录页数1.引言42.轧辊表面迹象A.夹杂56B.橘皮状轧辊表面78C.辊印912D.软点1318E.热裂纹i.热轧机工作辊19ii.冷轧机工作辊20273.剥落A.表面迹像2846B.表皮下引发i.与材质有关4749ii.接触应力a.一般机理5052b.冷轧机工作辊5361c.热轧机工作辊6264d.支撑辊65704.辊颈断裂A.表面迹像7172i.辊颈应力计算7377B.表皮下引发i.轧辊设计或材料质量7881C.辊颈修复8285D.瞬时发生i.深置缺陷8687ii.轧机过载88905.辊身断裂A.疲劳-深置缺陷9193B.瞬时i.轧机过载9495ii.深置缺陷96976.轧辊检测98A.涡流探伤99100B.表面波超声波探伤101105C.着色渗入探伤106108D.刻蚀探伤109111E.磁粉探伤112113F.硬度检验1141187.轧辊处理和储存1198.轧辊各部位的英文名称120121引言在轧钢生产中的轧辊性能及质量直接影响轧机产量和产品质量。因为轧辊采购费用在轧钢厂生产成本中占有较大比重，也是影响轧制成本的重要因素。本书的目的是针对锻钢轧辊在轧制中可能出现的相关问题，并就问题的类型，特徵，样例（照片，图解），产生机理及预防措施等进行分析。仅供有关人员参考。锻造轧辊的无损探伤（NTD）对轧辊生产厂家和轧辊用户都非常重要。轧辊生产厂家在轧辊热处理以及随后的精加工之前用NDT无损探伤，来确认轧辊的表面和内部是否合格。轧辊用户(轧辊车间)利用NDT无损探伤确保研磨切削部分满足进一步使用之前的轧辊表面要求。NDT无损探伤以及其应用，可以作为最佳化轧辊维护过程的管理方法之一。 轧辊的处理和储存也是轧辊问题发生的因素。本书也列有适当的轧辊切削和更换说明。轧辊发生问题时，建议轧辊管理者采取下列步骤：1 轧辊剥落/断裂时应将所有的裂片收集起来，并防止这些裂片氧化。2 做好轧辊记录。 查阅目前和过去异常情况（轧机事故、研磨切削、轧机周期长度）的记录。表面迹象-研磨切削前的纪录（照片）。3 NDT-无损探伤。 确定标定和适当的检验步骤。4 及时通知轧辊生产厂家。寻求帮助并回顾轧辊加工的历史，查清问题原因。种类：轧辊表面迹象类型：夹杂特徵在轧辊表面的典型夹杂，是能够看得见的，为纵向主轴的不规则形状。其长度可为0.05mm5mm(0.002”0.020”)。 清除夹杂材料后的留在轧辊表面上的“孔”表现粗糙。样例样例1 轧辊表面的夹杂（50X）。样例2 样例1中所示夹杂的放大图（200X）。机理目视能检测的夹杂通常是自然外来的。夹杂的材料可以是在辊锭固化过程中来自于耐火材料、渣或其它截留的外部材料。固有的夹杂要求借助于显微镜进行探测。这种夹杂是炼钢工艺所固有的，并可根据其成分（硫醚、铝酸盐、硅酸盐或氧化物）进行分类。预防措施夹杂的预防措施是轧辊生产厂家的责任。然而，夹杂是所有的钢中所固有的，其尺寸合量可以通过鉴别和控制精确冶炼变量而减少。可以通过将电弧炉真空脱气工艺改为ESR（电渣重熔）工艺来减少固化后材料中存在不规则的夹杂可能性。种类：轧辊表面迹像类型：橘皮状轧辊表面(木纹或树枝状巨晶)特徵橘皮状轧辊表面主要是在轧制过程中，辊面上产生 “木纹” 图案 或 “差异粗糙度”。在轧辊固化过程中产生明显的树枝状图案，这种图案分布在整个轧辊表面，而且在大量的磨削之后特别明显。样例样例1：在轧辊表面产生橘皮状图案样例2：在轧辊表面产生橘皮状图案机理要降低这种“树枝状巨晶”或“枝晶方式”的影响程度，可以降低辊坯的锻造比，也可以加大原轧辊直径的磨削量（切削轧辊）。枝晶宏观结构的轧辊材质可以描述为“树枝状” 的几乎纯铁结构。枝晶纯铁的地方比合金铁的地方要软一些（硬度低一些）。轧制期间轧辊表面上，软一些的枝晶纯铁地方比合金的地方磨损得快。轧机运行过程中润滑不当会加速橘皮状发展。预防措施通过在轧制过程中有效进行润滑可延迟橘皮状的发展。橘皮状可以通过在轧辊加工过程中适当地减少锻造比和适当地增加磨削量而进一步得到预防。种类：轧辊表面迹像类型：辊印(针头状，小坑，小孔)特徵轧辊辊印以随机局部压痕为特徵，一般为“环形”，最大直径大约为3mm(0.125”), 深度为0.08mm（0.003”）。轧辊的表面磨痕一般保持在压痕内。样例样例1：轧辊表面辊印的三维绘图样例2：轧辊表面辊印的二维绘图请留意在辊印内保持着轧辊的表面磨痕样例3：轧辊上的辊印在钢板上留下痕迹的三维绘图样例4：箭头所指为典型的轧辊辊印样例5：圆圈所指为典型的轧辊辊印样例6：箭头所指为样例5辊印的50x放大图机理轧辊辊印的生成，是由于碎片进入轧辊咬入或工作辊/支撑辊（6辊轧机的中间辊）接触区。要在轧辊咬入内让工作辊产生辊印。当碎屑截留在咬入或工作辊/支撑辊接触区，应力可以超过100,000psi，造成工作辊压痕，或工作辊和支撑辊都有压痕。潜在的碎屑源包括金属屑、焊接飞溅、氧化铁皮、以及不佳的带钢表面质量。随着不断地轧机运行，轧辊辊印可引发表面裂痕，并向径向和圆周向弥散，直到剥落发生（详见剥落篇-表面引发）。预防措施轧辊辊印可通过下面方法进行预防：l 发现和消除轧辊碎屑源。l 增加工作辊硬度/硬度深度。l 增加工作辊和支撑辊（中间辊-6辊轧机）间的硬度差。种类 轧辊表面迹像类型 软点，针痕特徵轧辊表面的某些地方会显示出比轧辊表面其它地方更为软化的情况（硬度低）。检测方法包括涡流探伤、硬度检测、酸洗和喷丸清理。这些地方一般在软点区域内有热裂现象（见轧辊表面迹象-热裂）。在特殊情况下，疵瑕也可以保持有硬化情况和回火色（兰色/棕色）。样例样例1：浸蚀和洛氏硬度检验之后用砂轮“打掉”软点。“亮”区比基体组织（重新硬化）硬7个HRc点。“暗”区比基体组织（重新回火）软11个HRc点。表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。机理在轧机运行中，当局部温度超过轧辊加工过程中承受的回火温度时，软点产生。轧辊总体硬度的表现是来自回火温度的设定。一般说来，回火温度越高，轧辊硬度就越低。因此，轧制过程中，当局部温度超过轧辊的回火温度时产生软点，软点（重新回火）区内的硬度降低。当马氏体硬化时（BCCBCT）也发生特别的体积变化。在回火和重新回火过程中，随着温度的增加而发生收缩（见下面的图1）。这种收缩能产生软点内的热裂纹（见轧辊表面迹象-热裂）。随着轧机的不断运行，热裂可向内部弥散，而剥落是必然的（见剥落-表面迹象）。 轧辊毛坯（退火的） 辊（淬硬时） 退火轧辊（低温） 退火的轧辊（高温）图1 轧辊辊身在热处理过程中发生的尺寸变化预防措施产生软点现象的一些潜在“热”源有：磨床打磨、带钢断裂、打滑、轧机故障（卡钢或堆钢）、不均匀的冷却喷淋、要轧制产品的厚度变化、冷却剂温度和轧机速度。避免任何一种这些潜在 “热”源都会减少在轧辊表面软点的形成。这就是某些用户认为在经常发生上述问题的轧机上采用“较软”的轧辊（加工过程中回火温度较高）的原因。样例2：在粘钢轧机故障时产生的软点(局部回火温度过高)“暗”区比基体组织软表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。样例3：因打滑所产生的磨擦热，在轧辊上形成的软点“暗”区比基体组织软表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。样例4：箭头所指的是因打滑所产生的磨擦热，在轧辊上形成的软点表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。样例5：因外来碎屑 “掉落” 轧辊表面产生的磨擦热，在轧辊上形成的软点表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。样例6：因外来碎屑 “掉落” 轧辊表面产生的磨擦热，在轧辊上形成的软点表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。样例7：样例6的局部放大图，注意在软点带上的纵向热裂纹。样例8：箭头所指的是因过度打磨在轧辊上形成明显的小软点表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。样例9：在粘钢轧机故障时产生的软点辊面上的数字指的是软点的硬度和基体的硬度(单位HLd)表面用20%的硝酸乙醇腐蚀液剂浸蚀。种类 轧辊表面迹像类型 热裂纹（应力裂纹）特徵热裂纹形式从严密的纵向小热裂纹（1mm，0.040”），到各种图案（“微裂”、“干河床），其密度取决于轧机操作（热轧/冷轧）和其产生原因。一般来说，热裂纹也伴随着软点一起出现（见轧辊表面迹象-软点）。样例样例1 铝热轧机工作辊上的热裂纹现象样例2 冷轧机工作辊剥落碎片表面上的热裂现象机理软点区（见轧辊表面迹象-软点）是裂纹生成的第一阶段。软点区内的不均匀应力是由于重新退火的马氏体与周围的基体材质接触时产生的。当软点受到应力释放时，热裂（应力裂纹）开始产生。随着轧机的继续运行，热裂可沿着轧辊径向和圆周向弥散，直到发生剥落（详见剥落-表面迹象）。热震（轧辊表面因快速加热和冷却而剥落），一种更严重的热裂纹形式，以瞬间的方式产生生。热震通常是因为轧机故障（粘钢）等现象，在轧辊表面产生大量的热能，立即导致轧辊裂纹产生，甚至剥落。预防措施尽量减少产生软点的条件或导致热震的条件, 减少在轧辊表面形成热裂的可能性。样例3：冷轧机工作表面上的热裂纹现象样例4：箭头所指是因打磨烧伤而产生的小裂纹放大图(50x)样例5：冷轧机工作表面上的热裂纹现象样例6：冷轧机工作表面上的热裂纹现象样例7：冷轧机工作表面上的热裂纹现象样例8：在磁粉探伤显示下的冷轧机工作表面热裂纹现象样例9：在磁粉探伤显示下的冷轧机工作表面热裂纹现象样例10：在磁粉探伤显示下的冷轧机工作表面热裂纹现象注意在剥落区周围的裂纹呈圆周向分布样例11：热震（更严重的热裂纹形式）产生的剥落通常是因为轧机故障（粘钢）等现象而产生的样例12：热震产生的剥落通常是因为轧机故障（粘钢）等现象而产生的样例13：热震产生的剥落通常是因为轧机故障（粘钢）等现象而产生的样例14：样例13的局部放大图，没有非常明显的断裂面样例15：铝热轧机工作辊上的热裂纹现象，并发生小块剥落种类 剥落类型 表面迹像（疲劳轨迹、破损轨迹）特徵表面迹像的剥落可通过裂纹表面的可见性疲劳“破损”轨迹来鉴别。以环行道为痕迹的疲劳轨迹有时可目视追踪回到表面。疲劳轨迹的显著特徵是典型的疲劳痕（海滩痕）或在疲劳裂纹面上的“扇形”裂纹流线。疲劳轨迹范围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。表面鉴别点一般伴有热裂纹（热裂-见轧辊表面迹象-热裂纹）或机械引发的裂纹痕迹（辊印-见轧辊表面迹象-辊印）。疲劳“破损”痕迹蔓延的方向与轧辊旋转的方向相反。径向裂纹蔓延是可逆式轧机应用的特徵。样例样例1以上图解了表面迹像的剥落的步骤。尽管轧辊的剥落并不一定由于软点和热裂纹引发，仍然应当指出，疲劳裂纹可在表面应力集中的任一点上引发。例如：辊印，与软点无关的表面裂纹和划痕等等。样例2 轧辊表面上的热裂纹（1-3阶段）样例3表面迹像引发的剥落的横截视图（第四阶段）。可以看到裂纹从轧辊表面沿径向和圆周向弥散（箭头所指是轧制表面）。裂纹弥散方向与轧辊旋转方向相反。样例4 在剥落发生后明显的疲劳轨迹（5-6阶段）。样例5 在剥落断裂表面上的疲劳轨迹。大箭头指的是典型的疲劳痕（海滩痕）。小箭头指的是疲劳弥散方向。样例6疲劳轨迹断裂面的放大图。注意断裂流线是“扇形”方式。在这种情况下，断裂痕出现，但因断裂弥散速度而不明显。箭头指的是疲劳弥散方向。机理表面迹像的引发剥落发生分几个不同的阶段（见样例1）。阶段1-3：在轧辊表面产生裂纹。这个裂纹可以是由软点产生的（如轧辊表面迹象-软点中的介绍和样例1图解）或非软点产生的表面裂纹。例如辊印、划痕等应力集中的因素而产生的表面裂纹。随着轧辊的每次转动，整个轧辊表面在高拉应力的状态与高压应力的状态之间循环。单点上的任何应力集中都会导致表面裂纹的产生。阶段4：随着轧辊的每一次转动，裂纹通过过度区（硬化深度）的疲劳轨迹沿径向和圆周向弥散。在第四阶段，疲劳轨迹出现明显的沿径向和圆周向的驻痕和“扇形”断裂流线。阶段5：裂纹继续在表面底下的过度区延圆周方向弥散。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：基体的屈服强度降到剥落发生的程度。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，脆裂性的，这可以通过从断裂流线开始的断裂面疲劳痕迹看到。预防措施可以采用下列方法预防表面引发剥落。l 避免与轧机有关的轧辊损伤，诸如：软点、裂纹、辊印、划痕或任何可能作为应力集中的因素。 l 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。缩短轧制周期，可以降低表面损伤机会。在上机之前可在研磨操作期间消除各种引起疲劳剥落的因素。l 研磨操作过程中要确保消除最后轧制周期间所引起的任何表面损伤。l 研磨操作完成之后始终对每个轧辊采用涡流探伤和超声波检验技术。这会确保每个返回到生产的轧辊无任何可能引发疲劳剥落的潜在因素。更多疲劳剥落样例样例7 箭头所指是剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。样例8 箭头所指是剥落发生后疲劳轨迹的位置。样例9样例8所示疲劳轨迹的放大图。箭头所指是引发疲劳轨迹的表面裂纹位置。样例10 样例8所示疲劳道侧视图。箭头指的是由表面弥散到轧辊内部的径向和圆周向轨迹。样例11可逆式轧机上由表面迹像引发的剥落的横截视图。可以看到裂纹从轧辊表面沿径向和圆周向弥散（箭头所指是轧制表面）。样例12 箭头所指是剥落发生后疲劳轨迹的位置。样例13在某些情况下，剥落发生后，断裂表面上没有明显的疲劳轨迹，而是藏在由一两块圆锥性剥落块形成的“桥”下。样例14磨掉样例13中的“桥”之后，断裂表面上出现明显的疲劳轨迹。样例15剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例16剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例17剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。样例18剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例19剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例20剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。小箭头所指是疲劳蔓延方向。大箭头所指是疲劳扩散方向。样例21剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例22剥落发生后断裂表面上小的疲劳轨迹。样例23大箭头所指是剥落发生后断裂表面上明显的复式疲劳轨迹。小箭头所指是疲劳蔓延方向。样例24剥落发生后断裂表面上明显的复式疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例25剥落发生后断裂表面上明显的复式疲劳轨迹。小箭头所指是疲劳蔓延方向。大箭头所指是轧辊表面上引起剥落的裂纹位置所在。样例26剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。大箭头所指是从轧辊表面疲劳径向蔓延位置。小箭头所指是径向上的疲劳轨迹向圆周向蔓延。样例27剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。大箭头所指是从轧辊表面疲劳径向蔓延位置。小箭头所指是径向上的疲劳轨迹向圆周向蔓延。样例28剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。大箭头所指是从轧辊表面疲劳径向蔓延位置。小箭头所指是径向上的疲劳轨迹向圆周向蔓延。样例29剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。大箭头所指是从轧辊表面疲劳径向蔓延位置。小箭头所指是径向上的疲劳轨迹向圆周向蔓延。样例30剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例31大箭头所指是剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。小箭头所指是疲劳蔓延方向。样例32剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。样例33剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。样例34剥落发生后断裂表面上明显的疲劳轨迹。箭头所指是疲劳蔓延方向。种类 剥落类型 表皮下引发-与材质有关（深置缺陷“DSD”、鱼眼）特徵因劣质引起的表皮下剥落，可通过在断裂面上的集中疲劳方式（鱼眼）的出现来进行识别。可以看到该疲劳蔓延是从单点开始的，并产生椭圆形波浪状的疲劳驻痕（海滩痕）。这种疲劳驻痕只有深置材料印发的迹象（“DSD”），而并没有其它任何源头（例如表面初始裂纹）。这种疲劳方式不得与表现为表面开始的疲劳轨迹相混淆。样例样例1典型的表皮下疲劳剥落断裂面从材料缺陷开始。小箭头指的是了作为材料缺陷的开始处。大箭头指的是了疲劳驻痕（阶段1）。也可以看到瞬时脆坏断裂流线从外疲劳驻痕（阶段2）引发。机理在固化过程中，一些不规则的材料在铸锭内有可能变为“截留夹杂”。这种不规则的材料可能属于耐火材料、渣、局部偏析、孔隙等。这些不规则的材料，在轧辊投入使用时，都可能成为应力集中的因素。表皮下材料缺陷引发的剥落，发生在两个不同的阶段：阶段1- 轧制过程中，当这些不规则性超过疲劳强度（但不是抗拉强度）时，局部应力引发疲劳裂纹开始，并从引发位置弥散开去。疲劳驻痕在平面内从引发地方向所有方向弥散开去。阶段2- 当周围材料的强度递减到剥落发生的程度，剥落发生。这个断裂的最后阶段是瞬时的和脆性的，并且可以看到有纤维状断口流线引发于断裂面上的疲劳痕迹。预防措施表皮下缺陷导致的剥落可用下列措施预防：l 轧辊生产厂家可以识别和控制精密熔炼变量，以便降低固化后钢锭内现有的不规则性的可能性。l 将电弧炉真空脱气工艺改为电渣重熔工艺。电渣重熔工艺减少了固化后存在在材料中的不规则性的可能性。l 完成研磨操作后，对每个轧辊用采用超声波检验，要清除发现的表皮下缺陷。DSD剥落的更多样例样例2 由表皮下材料缺陷发源的疲劳剥落断裂面。箭头指的是疲劳引发处的位置。样例3 由表皮下材料缺陷发源的疲劳剥落的典型断裂面的放大图。 箭头指的是疲劳引发处。种类 剥落类型 表皮下引发-接触应力（压碎）一般机理由于轧机的负荷以及轧辊在接触点上的局部压扁，最大组合剪切应力（通常称作“赫兹应力”）位于轧辊表面之下的短距离（图1-2对该应力条件作了图解）。多处裂纹可以引发并在赫兹应力超过轧辊压强时在表面以下的位置弥散。这会通过两种模式发生。（1） 瞬时：突然以赫兹应力发生。是在工作辊缠绕、打滑或突然停止时发生。赫兹应力显著地提高，很容易超过轧辊的压力强度。然后表面下的裂纹可瞬时形成并使轧制应力进一步循环，通过疲劳方式，可能产生剥落。在超接触应力的特殊情况下，表皮下的裂纹既可以引发，也可以造成瞬时剥落。（2） 高周期疲劳断裂：表皮下裂纹引发的这种方式，一般在支撑辊中发生的比较多，并且通常没有轧机事故就发生。一般说来，这种类型的疲劳断裂被描述为“易碎”型剥落，表明整个过程在轧辊表皮下引发。这已经在典型的S-N疲劳图解中作了解释，这里几个周期的失误率是百万次之几。应力作用次数是非常重要的，即使低于轧辊固有材料强度的应力，反复作用也可导致裂纹引发。由于非常小的裂纹平行分布于轧辊表面的切线上，高周期接触应力的疲劳蔓延可在应力区域内的许多地方发生。然后重复的循环应力将这些裂纹弥散到表面直到剥落发生。有些时候，接触应力疲劳裂纹可以沿径向和圆周向地弥散，形成疲劳“破损”痕迹，这时，剥落是不可避免的（见剥落-表面迹象）。有几种因素可产生接触疲劳剥落，例如：轧辊在轧机上的使用时间过长、轧辊磨削量不够、轧制压力、工作辊与支撑辊的直径差。应力分布工作辊-支撑辊接触区b=接触弧长 P1=单位长度的轧制力 d1 =工作辊直径 E1=工作辊弹性模量 P最大 =最大压应力 d2 =支撑辊直径 E2=支撑辊弹性模件E=弹性模件 =29,000,000psi钢 =26,000,000 psi 铸钢1 psi = 6894.757Pa图1（参考2）应力分布工作辊-支撑辊接触区半椭圆的压力分布可逆剪切剪切应力另外应力考虑因素：扭力剪切应力；弯曲应力；残余应力曲线（轧辊）b=1.52P1d1d2E1+e2/d1+d2E1E2P最大=4P1/xb=0.83P1E1E2d1+d2/E1+E2d1d2 冷轧机工作辊接触应力剥落特徵接触应力剥落可在冷轧机工作辊上以前面介绍的两种模式发生。瞬时：这种模式的特徵是一块地方出现“压碎”而且没有显示出明显的引发点。高周期接触应力疲劳断裂：这种模式的表现，在位于辊身或辊边都具有不同的特徵。辊身-工作辊辊身上的高周期疲劳断裂通常不直接造成剥落的发生。在这种情况下，表皮下形成的接触应力疲劳裂纹不会向轧辊表面弥散，但更倾向于径向和圆周向弥散，形成疲劳“破损”痕迹。就是这种弥散模式最终造成剥落发生（见剥落-表面迹象）。当高周期接触应力疲劳发生在辊身时，是难以诊断的，因为引发疲劳“破损”的裂纹在断裂面不容易看见，而是隐藏在表面以下。辊边-工作辊身边部上的高周期接触应力疲劳断裂可表现为小“压碎”形疲劳剥落。“压碎”疲劳剥落通常位于工作辊和支撑辊边部的接触点上。“压碎”剥落通常面积小，不超过0.150英寸深。许多情况下，也出现源于接触应力疲劳区域的疲劳“破损”轨迹（见剥落-表面迹象）。工作辊上的接触应力瞬时剥落样例样例1箭头所指是工作辊辊身边部瞬时剥落的断裂面。在这种情况下，施加在辊身边部的接触应力大于材料的抗压强度，表面裂纹产生，并且瞬时发生弥散。样例2箭头所指是工作辊辊边瞬时剥落的断裂面。在这种情况下，施加在辊身边部的接触应力大于材料的抗压强度，表面裂纹产生，并且瞬时发生弥散。工作辊上疲劳层的接触应力剥落样例样例1冷轧工作辊剥落块的断裂面。箭头所指是高周期接触应力所产生的疲劳源。样例2冷轧工作辊剥落块的断裂面的横断面图。箭头所指是高周期接触应力在表皮下所产生的疲劳裂纹。样例3样例1所指高周期接触应力剥落在表皮下的裂纹网样例4冷轧工作辊辊边剥落样例5样例4中冷轧工作辊辊边剥落的放大图，图中的疲劳轨迹是剥落的主要原因。箭头所指是疲劳轨迹蔓延方向。样例6样例4中冷轧工作辊辊边剥落的放大图，箭头所指是的小块剥落是下面高周期接触应力造成的剥落。明显看出其蔓延轨迹源自下面的剥落样例7冷轧工作辊的斜边剥落。样例8冷轧工作辊辊边由于接触应力造成的小块剥落样例9由于接触应力大于材料的抗压强度而产生的塑性变形。机理瞬时接触应力剥落：如“表皮下引发-接触应力篇”中的“一般机理章节”介绍，最大残余剪切应力位于表皮下的短距离。轧机突然停机、或特别情况下打滑，都会引起超过轧辊压力强度的最大合量剪切应力。这种剪切应力的突然升高可引起表皮下的裂纹瞬时形成。在极个别情况下，接触应力急剧到足以引起表皮下裂纹形成并弥散到瞬时剥落。高周期接触应力疲劳：辊身-由于工作辊的高硬度，辊身上的点负荷通常导致轧辊上高周期接触应力疲劳的引发。这个点负荷可是轧辊咬入时的一小片金属屑，通过经轧辊咬入的带钢焊接残余物或任何在轧辊辊身上的点状集中应力的东西。如果这种应力大于材料的抗压强度，可在表皮下通过疲劳“破损”轨迹方式引发弥散的小裂纹，最终不可避免地造成剥落。辊身边部-在轧辊投入轧制使用时，带钢边部、工作辊和支撑辊边部间的接触区，必将成为应力集中地方。随着轧辊的每一次转动，如果最大的残余剪切应力正好位于轧辊表皮下（见接触应力疲劳的一般机理的有关章节），超过材料的抗压强度，裂纹就会在这个位置形成。进一步的循环，会将裂纹向表面弥散，然后会发生小的“破碎”剥落。在许多情况下，疲劳“破损”轨迹会在表皮下接触应力疲劳裂纹已经形成的地方引发。然后疲劳“破损”轨迹可向径向和圆周向弥散，直到周围材料的强度降到大块剥落发生的程度为止。预防措施瞬时接触应力剥落避免轧机故障，诸如：打滑、卡钢、粘钢等。高周期接触应力疲劳可以采取以下几个步骤预防冷轧机工作辊上发生高周期接触应力疲劳剥落：l 避免磨料或焊料被轧辊咬入，造成最大剪切应力大于轧辊的抗压疲劳强度。l 研磨作业完成后应对每个轧辊上采用双探头超声波检查技术（“调节/捕捉”）和表面波传送器进行检验。确保返回到轧机上的每个轧辊没有表面和表皮里的裂纹。l 在研磨操作过程中对轧辊足够的磨削既可以保证磨掉在表面形成的任何裂纹，也可以重新将表皮下的裂纹定位在远离最大合力剪切应力的区域内。重新定位裂纹会使其几乎不扩散。l 缩短换辊周期时间，减少轧辊承受应力的周期数。超过轧辊抗压强度的重复使用会导致表皮下的裂纹引发。l 减少轧制力可降低最大剪切应力的产生。l 合理设计轧辊表面形状（工作辊/支撑辊凸度），确保沿着整个工作辊/支撑辊（中间辊）接触区域有一个均匀的接触方式。l 合理设计工作辊辊身边部的导角，以减少辊身边部的应力集中。l 合理设计支撑辊辊身边部的导角，改变支撑辊辊身边部到辊身半径的设计（大约0.5），以便减少工作辊和支撑辊辊身边部间接触点处应力集中。热轧机工作辊（热孔）特徵 热轧机工作辊上的接触应力疲劳剥落的特徵，是以随意的或聚集在辊身上应力集中区域内的小“孔”为主。各个小孔可以明显显示出疲劳驻痕（海滩痕迹）和轧辊剥落表面的侵蚀痕迹。样例样例1 显示出轧辊辊身表面上的热孔形式的接触应力疲劳的热轧机工作辊。 样例2 样例1中所示热轧机工作辊热孔情况的放大图。机理在4辊轧机里，热孔一般是在有最大剪切应力（定义见接触应力疲劳章节中的一般机理）的表皮下位置引发的。在轧制过程中，热轧机工作辊表面的任何一个点会在高温（与热带钢表面接触时）和低温（当喷淋冷却时）间循环。在温度循环过程中，轧材进行尺寸改变，那么位于表面以下最大剪切应力处形成的裂纹开始弥散，经过热感应变化产生的疲劳，沿着向表面和深入到辊的剪切面发展，直到周围材料的强度降低到剥落发生的程度。表面引起的热孔也可发生在2辊轧机上，裂纹形成在表面并通过疲劳层弥散到内里，直到剥落发生。由于局部接触应力的增加，“粘”到辊表面上的异物（氧化物）能够加速孔的形成进程。预防措施可采用如下措施预防热轧机工作辊的热孔：l 选择合适的轧辊材质（合金成分），热处理和硬度以便最佳化轧辊材料的热疲劳强度。l 使用“裂纹刷”清洁轧辊表面并预防碎屑进入工作辊/支撑辊接触区。l 采用喷淋冷却，确保辊身的适当覆盖面积。不均匀和/或不适当的喷冷可导致轧辊辊身在生产期间过热，并增加受影响区域的热疲劳剥落发生的可能性。l 轧辊辊身镀铬，改善润滑性并防“氧化物辊印（啄印）”。l 研磨操作完成后在每个轧辊上采用双探头超声波检查技术（“调节/捕捉”）和表面波传送器进行检验。这会确保返回到轧机上服务的每个轧辊没有表面和表皮下的裂纹。l 在研磨操作过程中对轧辊足够的磨削既可以保证磨掉在表面形成的任何裂纹，也可以重新将表皮下的裂纹定位在远离最大合力剪切应力的区域内。重新定位裂纹会使其几乎不扩散。l 缩短换辊周期时间，减少轧辊承受应力的周期数。超过轧辊抗压强度的重复使用会导致表皮下的裂纹引发。l 减少轧制力可降低最大剪切应力的产生。支撑辊特徵瞬时接触应力剥落在支撑辊上通常不发生，但高周期接触应力疲劳剥落相当普遍。高周期接触应力疲劳剥落可在轧辊辊身的任何位置发生，并且经常有一个“破碎”剥落外观。由于支撑辊的硬度低，“破碎”剥落通常较大，而且与工作辊高周期接触疲劳剥落相比，他们的外观通常更严重。表皮下接触应力疲劳裂纹在露出到表面前，可以无声无息发展（剥落）。剥落前探测表皮下接触应力疲劳裂纹的唯一方法是通过采用双探头（“调节/捕捉”）变送器直束超声波检验。在特殊情况下，于高次数循环接触应力疲劳区域可以看到疲劳“破损”轨迹（见剥落表面引发）。样例1 支撑辊高次数循环“破碎”接触疲劳的剥落。样例2这是图1中所示“破碎”高次数循环接触疲劳剥落的放大图。“孔”的底部是裂纹源的起点，位於轧辊表皮下，然后弥散到轧辊表面。样例3位于支撑辊辊身中心位置的高次数循环接触疲劳剥落的放大图。箭头指的是“破碎”高次数循环接触疲劳剥落的区域。注意疲劳轨迹从表皮下的裂纹引发。机理支撑辊的高次数循环接触应力疲劳的机理，如同接触应力疲劳章节中的一般机理介绍的一样。 无论最大瞬时剪切应力位于轧辊表皮下任何部位的发生，当超过材料的抗压应力，剥落就会产生。支撑辊上高次数循环接触应力疲劳的最通常位置是在辊身的中心凸出部位、辊身边部和支撑辊与工作辊边部间的接触点。这些区域属于轧制期间的应力集中点，并且明显地增加了表皮下的最大瞬时剪切应力。预防措施支撑辊中的高次数循环接触应力疲劳剥落可采取下列措施预防：l 研磨操作完成后在每个轧辊上采用双探头超声波检查技术（“调节/捕捉”）和表面波传送器进行检验。这会确保返回到轧机上服务的每个轧辊没有表面和表皮下的裂纹。l 在研磨操作过程中对轧辊足够的磨削既可以保证磨掉在表面形成的任何裂纹，也可以重新将表皮下的裂纹定位在远离最大合力剪切应力的区域内。重新定位裂纹会使其几乎不扩散。l 缩短换辊周期时间，减少轧辊承受应力的周期数。超过轧辊抗压强度的重复使用会导致表皮下的裂纹引发。l 减少轧制力可降低最大剪切应力的产生。l 增加支撑辊的硬度，以提高轧辊抗疲劳强度。l 如果接触应力疲劳剥落的发生于轧辊寿命的晚期，通过适当地选择轧辊材质和热处理工艺，以增加淬硬层深度，会在小直径轧辊上增加抗疲劳强度。l 合理设计支撑辊辊身边部的导角或“放松”斜度的设计，以便减少工作辊和支撑辊辊身边部间接触点处应力集中。这种设计也减少在支撑辊辊身边部的应力集中。l 减少辊身凸度量，以便减少辊身中心处的最大瞬时剪切应力。样例4 支撑辊辊身上高次数循环接触疲劳严重的剥落。样例5工作辊辊身边部和支撑辊接触点处，支撑辊辊身上高次数循环接触疲劳的剥落。样例6不合理的导角设计造成支撑辊上高次数循环接触疲劳的剥落，在支撑辊边部太明锐的导角造成应力集中点。在这种情况下，渐进式的导角设计可减少剥落的产生。样例7支撑辊辊边上高次数循环接触疲劳的剥落。种类：辊颈断裂类型：疲劳-表面引发（旋转弯曲疲劳，棘轮痕）特徵这种断辊的特徵为，在旋转弯曲疲劳断裂面显示出，从表面发起的多源头疲劳“棘轮痕”， 其走向垂直于辊颈面切线。棘轮痕间的区域有时能看见疲劳驻痕（海滩痕）从表面弥散到辊颈中心。棘轮痕是由于多源头疲劳引发的。有时，疲劳轨迹由单点引发出来，在断裂面能看到加宽的“泪滴形状”疲劳驻痕，源头在辊颈表面。样例样例1由于表面引发的旋转弯曲疲劳而断开的辊颈断裂面。大箭头指一些疲劳棘轮痕。小箭头指疲劳驻痕（海滩痕）及其弥散方向。机理旋转弯曲疲劳断辊，由于轧制过程中，施加的轧制应力超过辊颈的材料强度而产生的。轧制过程中，带钢上的压下量来自于施加到辊颈上的轧制力。因此，轧辊上的每个点都在张应力和压应力之间循环。位于离中心线最大距离的辊颈表面各点承受了最高的张应力和压应力。沿着辊颈上的直径变化，这种应力可集中在辊颈表面不同的位置。这通常位于旋转弯曲应力较高的辊颈区域。如果施加在这位置上的轧制压力大于应力集中点材质的抗拉强度，就会形成圆周向表面裂纹。然后这些裂纹通过疲劳方式在横截面径向弥散，直到周围材料的强度降到辊颈断裂发生的程度，断辊发生。疲劳棘轮痕在多源头疲劳发生的地方产生。然后这些疲劳裂纹在横截面径向弥散，直到弥散裂纹边部相遇。因为综合位置纵向不同，而形成棘轮痕。预防措施可采取如下措施预防旋转疲劳引起的辊颈断裂：l 增加轧辊材质强度以预防裂纹的产生和弥散。材质的强度可通过几种方式增加。如果裂纹在辊身端面附近形成，必须进行特别热处理以便提高辊颈和辊身端部表面之间的硬度。材质的强度也可以通过交替进行轧辊的预硬化热处理来提高。l 检查轧辊的设计，避免边角和拐角太接近辊身，这会增加在最大弯曲应力区内的应力集中。也要考虑个别的和统一的辊环设计。l 降低轧制力以减少施加在辊颈上的弯曲应力。l 沿着辊颈的旋转弯曲应力受到应力作用位置的影响。将轧制力作用在近辊身的地方以便减少辊颈的弯曲应力。l 为避免裂纹引发和弥散，应当统一考虑辊颈的设计，材質的强度与轧机的轧制力。下一篇文章介绍了轧机生产过程中轧辊辊颈上引发的弯曲应力和最大瞬时剪切应力的计算方式（参考3和参考4）。辊颈应力计算辊颈中的剪切应力-Ss：当在辊颈一端施加扭矩时，剪切应力（Ss）存在于那个辊颈的各点。除了这些应力，因扭转的纵向外部纤维造成整个外半部横截面的纵向张力以及整个内半部横截面的纵向压力。支撑辊断裂前的轧辊材料的最大剪切应力公式如下：Ss=16TKt/(d3)公式中：T=扭矩（英寸磅） Kt=应力集中指数（定义如下） d=辊颈直径（英寸）辊颈中的弯曲应力-Sb：当径向力施加到辊颈时，用支撑辊时（或2辊轧机的工作辊）或用于控制产品平直度的工作辊，循环的弯曲应力引入到辊颈里。最大瞬时弯曲应力处（通常位于模/倒角区域）辊颈横截面的外部纤维的最大弯曲应力给出如下：Sb=10.19PLKb/d3公式中：P=应用负荷（磅）L=矫直臂（英寸）Kb=模/倒角应力集中指数（定义如下）d =辊颈直径（英寸）最大瞬时剪切应力-Smax：由于弯曲和扭矩，最大瞬时剪切应力为：Smax=（0.25 Sb