李會榮,李智

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

疲勞斷裂是造成機械裝備零部件失效的重要原因之一。所謂疲勞，是指材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下發(fā)生的性能變化，如果疲勞導(dǎo)致了材料開裂就稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂時，零件所受最高應(yīng)力一般遠低于靜載荷下材料的強度極限，甚至低于其彈性極限。其原因在于，材料受變動載荷作用時，對載荷的抗力不僅取決于材料本身，還對零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、服役環(huán)境等因素非常敏感[1-2]。鋁箔涂布線是用于生產(chǎn)親水鋁箔的大型裝備，可通過涂布鋼輥與取料輥之間的組合，采取不同的轉(zhuǎn)移方式使涂料得到流平和排列，并最終均勻地轉(zhuǎn)移到運動中的鋁箔上，從而在鋁箔表面形成一層固體保護膜。涂布鋼輥是涂布線裝備的重要部件，由輥軸與輥套零件采用熔化焊接工藝連接而成。熔焊工藝使鋼輥接頭區(qū)域材料存在較嚴重的不均勻性，而工作過程中鋼輥將承受交變載荷的作用，存在發(fā)生疲勞失效的可能。

LT1350涂層線是某公司研發(fā)的大型親水鋁箔涂布裝備，其涂布鋼輥多次在工作中發(fā)生過早疲勞斷裂事件，影響了正常生產(chǎn)并帶來嚴重安全隱患。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，涂布線逐漸向著一體化、大型化發(fā)展。由于涂布線越來越長，鋼輥在工作中承受的載荷也相應(yīng)提高，以往極少出現(xiàn)的輥軸斷裂失效問題，近年來日益增多。但這一現(xiàn)象尚未引起研究人員的足夠重視，鮮有相應(yīng)的研究成果報道。因此本文從涂布線鋼輥應(yīng)力分析、輥軸斷口觀察等方面來對這一問題進行討論，考慮影響輥軸疲勞斷裂的各種因素，探究其疲勞失效的機理。

1 輥軸應(yīng)力狀態(tài)分析

輥軸在工作過程中承受循環(huán)的交變應(yīng)力作用，即應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，使材料發(fā)生損傷并導(dǎo)致最終斷裂。雖然涂布線在實際運行過程中，受負載、電源等多種隨機因素影響，實際的應(yīng)力波形并非理想的循環(huán)變化，但當(dāng)輥軸保持勻速轉(zhuǎn)動時，其最大負載是定值。因此計算輥軸在靜平衡條件下的彎扭組合應(yīng)力，并考慮軸徑變化處的應(yīng)力集中，確定輥軸R20圓弧處的最大應(yīng)力σmax。詳情參見圖1～2。

圖1 涂布鋼輥Fig.1 Coated steel roller

圖2 涂布鋼輥實物Fig.2 Physical picture of a coated steel roller

Φ110外圓所受最大彎矩為2700 N·m，則最大彎曲應(yīng)力為

(1)

式中，M為抗彎截面系數(shù)，W為彎矩。考慮到輥軸彎扭組合的受力情況，則該處應(yīng)力為

(2)

式中，σ為正應(yīng)力，τ為剪切應(yīng)力。輥軸R20圓弧處存在應(yīng)力集中，考慮軸徑、圓弧半徑等因素，確定應(yīng)力集中系數(shù)為Kσ≤2.23，Kτ≤2.12，則R20處應(yīng)力最大為

(3)

根據(jù)受力分析，由于R20處存在應(yīng)力集中作用，使得軸根部最大應(yīng)力值較輥軸Φ110外圓表面提高了122.57%，但仍遠低于材料抗拉強度?？梢娸佪S的斷裂，不僅是材料承受循環(huán)應(yīng)力作用的結(jié)果，而是應(yīng)力集中、焊接引起的材料微觀組織、性能變化、焊接的缺陷、焊后殘余應(yīng)力、零件表面狀態(tài)、機器運轉(zhuǎn)過程中的振動負荷等因素的共同作用導(dǎo)致的。

2 鋼輥疲勞斷裂失效分析

2.1 輥軸斷口分析

圖3所示為輥軸斷口的宏觀形貌。由圖3可見，在軸上部焊縫區(qū)相鄰區(qū)域有肉眼可見的較為平整的宏觀塑性變形區(qū)，其長度約18 mm，寬度約4 mm，面積約70 mm2，這是脆斷發(fā)生前的疲勞破壞區(qū)。

圖3 涂布鋼輥斷口Fig.3 Macro-fractograph of a coated steel roll

圖4是輥軸宏觀塑性變形區(qū)域的放大圖。疲勞破壞就起源于圖4中箭頭所指區(qū)域，可知疲勞微裂紋就萌生于焊縫區(qū)缺陷處。斷口其余部分是最后斷裂區(qū)，呈現(xiàn)凹凸不平的粒狀表面，因而輥軸的斷裂類型屬于脆性斷裂；觀察斷口宏觀取向，屬于正斷斷口；根據(jù)鋼輥受力分析的結(jié)果，可知輥軸受交變循環(huán)應(yīng)力作用且所受的應(yīng)力值較小，考慮到鋼輥還受到焊后殘余應(yīng)力、工作過程中的振動載荷等作用，其疲勞類型屬于復(fù)合載荷作用下的交變應(yīng)力疲勞；而在疲勞斷裂時，鋼輥平均經(jīng)歷了約1.2×106次的回轉(zhuǎn)，屬于高周疲勞。

根據(jù)斷口分析，可以判斷輥軸發(fā)生疲勞斷裂失效的原因：輥軸與軸套的焊接頭區(qū)域材料微觀組織發(fā)生變化，晶粒粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能劣化；而焊縫區(qū)存在未完全熔合的缺陷，缺陷處成為焊接結(jié)構(gòu)不連續(xù)的部位，使得焊縫區(qū)的強度下降，并引起嚴重的局部應(yīng)力集中；缺陷處在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下很容易萌生微裂紋而形成微小的裂紋[3]；隨著循環(huán)應(yīng)力作用次數(shù)的增加，小裂紋在交變載荷作用下來回滑動，導(dǎo)致材料滑移帶的出現(xiàn)，而疲勞微裂紋將沿著滑移帶擴展并使得軸的有效截面積減少[4]；一般疲勞斷口可觀察到疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和終斷區(qū)，疲勞源區(qū)面積最小，而擴展區(qū)應(yīng)占據(jù)最大比例面積，但從輥軸斷口基本呈粗糙不平整的表面可以看出，其明顯屬于終斷區(qū)的形貌特征[5]，可見輥軸裂紋在斷裂前并未充分擴展，符合實際中輥軸過早失效瞬斷的情況?？煽吹较鄬嗫诒M管裂紋擴展并不充分且有效截面積的減少并不顯著，但由于焊接頭區(qū)域材料內(nèi)部的不均勻性對其抗疲勞損傷性能的影響遠大于受靜載作用時的影響，而軸徑宏觀尺寸的變化也會在過渡圓角位置引起應(yīng)力集中并與焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷局部應(yīng)力集中效應(yīng)聯(lián)合作用，使輥軸的疲勞強度進一步下降，致使輥軸過早地發(fā)生了疲勞斷裂。

圖4 輥軸斷口裂源分析Fig.4 Analysis of the crack source of roller shaft

2.2 鋼輥疲勞斷裂影響因素分析

輥軸的過早疲勞失效是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果，主要有交變循環(huán)應(yīng)力、焊接頭區(qū)域微觀組織變化、焊縫區(qū)缺陷、應(yīng)力集中、焊后殘余應(yīng)力、輥軸表面狀態(tài)等。這些因素促進軸徑突變處或焊接缺陷處的裂紋形核并擴展進而發(fā)生斷裂。

2.2.1 交變循環(huán)應(yīng)力

工作狀態(tài)下輥軸受到交變循環(huán)應(yīng)力的作用。隨著循環(huán)應(yīng)力作用次數(shù)的增加，構(gòu)件薄弱處的晶粒會沿著最大切應(yīng)力方向發(fā)生位錯滑移，產(chǎn)生滑移線，滑移線的數(shù)量不斷增多且漸漸變寬而形成滑移帶?；茙猿掷m(xù)受到循環(huán)應(yīng)力的作用，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)帶狀隆起的擠出區(qū)，以及進入表面的裂紋狀擠入?yún)^(qū)，它們沿著永久滑移帶平行發(fā)展，形成了微小的疲勞微裂紋，使得結(jié)構(gòu)的服役壽命降低。

2.2.2 焊縫區(qū)的焊接缺陷

由于零件在焊接缺陷處的疲勞抗力顯著下降，而缺陷部位又易于萌生疲勞裂紋并擴展，焊接缺陷成為引發(fā)焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂失效的重要原因[6-7]。從圖3可以看到，輥軸與軸套的焊接質(zhì)量不佳，焊縫處存在多處焊接缺陷，包括缺口、未焊合等。缺陷造成焊接結(jié)構(gòu)的宏觀幾何不連續(xù)性及結(jié)構(gòu)表面的不完整，并帶來嚴重的局部應(yīng)力集中，使得焊縫區(qū)域材料的承載能力下降，尤其在動態(tài)載荷的作用下，焊縫區(qū)疲勞微裂紋萌生的幾率顯著增加，遠高于母材區(qū)域[8]。因此焊接缺陷造成的宏觀幾何不連續(xù)性是促進微裂紋形核并導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效的重要因素之一。

2.2.3 焊接頭區(qū)域的微觀組織變化

鋼輥部件由輥軸及軸套焊接而成，其焊接頭區(qū)域可分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)等幾個不同微區(qū)。焊縫區(qū)微觀組織特征與母材不同，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒尺寸粗大，幾何形狀呈柱狀特征，伴隨著成分的偏析，組織不致密；C、S元素含量的增加，使焊接熱裂紋的敏感性提高[9]。熔合區(qū)是一個包含半熔化區(qū)、未混合區(qū)的混合區(qū)域，因此區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分、微觀組織等方面存在著嚴重的不均勻性。所以焊接接頭是非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)，微觀組織的變化造成了區(qū)域局部材料力學(xué)性能的下降[10]，而焊縫區(qū)成為焊接頭中最薄弱的部位[11]，當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)受到循環(huán)載荷的作用，在應(yīng)力值最高的晶粒上產(chǎn)生嚴重的局部塑性應(yīng)變集中并引起疲勞微裂紋的萌生[12]。

2.2.4 焊后殘余應(yīng)力

輥軸與軸套的焊接過程中，局部材料被快速加熱熔化，隨后冷卻凝固，因此局部溫度發(fā)生劇烈的變化。由于焊接頭區(qū)域材料體積的變化，即膨脹、收縮都受到熱影響區(qū)之外母材的約束，引起接頭區(qū)域的塑性變形，均勻的塑性變形使得冷卻后的焊接頭區(qū)域形成了獨立于外部載荷的自平衡力系，即焊后殘余應(yīng)力[13]。而焊后殘余應(yīng)力的存在，會使平均應(yīng)力增大[14]，且大部分材料在焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，會增加疲勞裂紋的擴展速率，從而降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，減小結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，這是引起焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的重要原因。

2.2.5 焊后表面質(zhì)量

應(yīng)力集中不僅出現(xiàn)在階梯軸軸徑突變處或焊接缺陷帶來的不連續(xù)處。焊后的表面質(zhì)量不佳，這樣的表面狀態(tài)會使表面微觀幾何形狀變化處產(chǎn)生的局部應(yīng)力遠大于名義應(yīng)力，因此疲勞裂紋將可能首先從這些形狀變化處萌生。

此外，實地觀察發(fā)現(xiàn)機器運轉(zhuǎn)過程中有明顯的振動現(xiàn)象，分析其原因在于裝備安裝地基的平整度未達安裝要求所致。振動必然導(dǎo)致輥軸受力狀態(tài)進一步復(fù)雜，導(dǎo)致了疲勞斷裂的提前發(fā)生。

3 結(jié)論

輥軸在較小循環(huán)應(yīng)力作用下過早發(fā)生疲勞斷裂，其原因不僅在于軸徑變化引起軸根部的應(yīng)力集中，而是多個因素聯(lián)合作用的結(jié)果：熔化焊接工藝使鋼輥焊接頭區(qū)域微觀組織改變而引起力學(xué)性能的下降；焊接工藝不良，焊接頭區(qū)域存在嚴重焊接缺陷，降低了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與強度，并在焊接缺陷處引起嚴重的應(yīng)力集中導(dǎo)致該處發(fā)生塑性變形等。這些因素導(dǎo)致焊縫區(qū)的缺陷成為疲勞微裂紋萌生的起源，而焊接殘余應(yīng)力的存在使平均應(yīng)力增大，使焊縫缺陷加快擴展到相鄰的軸體內(nèi)部，使輥軸過早發(fā)生疲勞斷裂失效。