辊轴

机器上能滚动的圆柱形机件

辊轴也叫罗拉，是指机器上能滚动的圆柱形机件的统称。

检测与分析

断口宏、微观形貌分析

断裂辊轴的断口比较平齐，无明显塑性变形痕迹，宏观形貌呈脆性断裂形貌特征。通过断口上放射状棱线特征可溯源断裂启始部位位于（1/2）R区域的2个凹坑及其周边平滑区域。

为进一步了解断裂模式及成因，利用扫描电子显微镜（SEM）对辊轴原始断口及其附近人工断口的微观形貌特征进行观察分析。结果表明：辊轴原始断口以解理断裂特征为主，与宏观断口小刻面特征具有很好的对应关系；辊轴原始断口附近人工新断口也以解理断裂特征为主，说明该断裂辊轴材质处于脆性状态。综合辊轴宏、微观断口形貌特征，可以确定辊轴断裂模式为脆性解理断裂。

另外，在辊轴（1/2）R 处截取横向折断试样，纵向断口呈典型小刻面状，未发现“白点”等缺陷特征。由此可以排除发生第一类氢脆可能性。

力学特性检测

在辊轴（1/2）R 处圆线上4等分部位截取纵向力学拉伸和冲击性能试样，取样编号分别为A，B，C和D；在辊轴外圆表面截取硬度试样。检测结果表明，辊轴硬度检测值符合技术要求，但冲击性能明显偏低，说明辊轴处于比较严重的脆性状态。

化学成分分析

在辊轴断口附近常规取样进行化学成分分析。分析结果表明：辊轴的化学成分检测结果符合GB/T 3077—1999《合金结构钢技术条件》的技术要求。

在辊轴（1/2）R 处部位和原始断口凹坑附近区域分别取样进行氢（H）含量分析。结果表明：辊轴基体氢的质量分数为（1.3~1.7）×10-6；在原始断口凹坑附近取样进行检测所得氢的质量分数为（11，9.0，3.0，1.5，0.4）×10-6，说明氢含量在断口及其附近区域分布非常不均匀，局部存在氢含量严重偏高现象。

金相观察与分析

对辊轴纵截面（1/2）R 部位取样进行非金属夹杂物检测。非金属夹杂物为A类（硫化物类）夹杂物小于0.5级，C类（硅酸盐类）夹杂物细系0.5级，D类（球状氧化物类）夹杂物细系1级，未见B类（氧化铝类）和DS类（单颗粒球状类）夹杂物。

对辊轴横截面各部位金相组织和显微晶粒度进行分析。结果表明：辊轴外边缘以索氏体组织为主；辊轴中部和心部以珠光体和铁素体组织为主。辊轴边缘、中部和心部晶粒度均在8.0级左右。

纵向残余应力测定

沿辊轴轴线和（1/2）R 部位分别截取纵向试样，对试样进行研磨和电解抛光，利用X射线应力分析仪对辊轴轴线和（1/2）R 部位纵向残余应力进行测定。

辊轴轴线方向残余应力值稳定在40~50 MPa，为拉应力；（1/2）R 部位纵向残余应力值也存在与轴向相同的趋势。需要说明的是：辊轴轴线方向残余应力测定样存在明显微裂纹，说明内应力已经有所释放，故所测残余应力值较低；而（1/2）R 部位纵向残余应力测定样无明显微裂纹。

基体微裂纹断口观察分析

针对辊轴横向微裂纹断口进行观察分析。在微裂纹部位截取试样，将试样沿微裂纹面拉断后对该断口进行宏、微观形貌观察。结果表明，辊轴横向微裂纹宏观断口上存在类似“鱼眼”状特征。其微观特征是“鱼眼”周边呈韧窝状特征，“鱼眼”中间区域存在显微孔洞并环绕晶粒，孔洞内表面处于自由状态，呈气孔特征（；气孔内部还含有Mn，S和Ti等，这是由于辊轴在冶炼和浇注时中未能有效除掉氢等气体和夹杂物所造成的显微缺陷。

模拟去氢退火试验及结果分析

在辊轴（1/2）R 处圆线上2等分部位截取纵向试样，取样编号为AB和CD。分别在650，840，1 100 ℃进行以去氢为目的的退（回）火热处理：

1）当温度升高到840 ℃进行完全退火（即等温退火）时，基体氢的质量分数从（1.3~1.7）×10-6降至（0.1~0.2）×10-6，显微组织和断裂性质无明显改变，但冲击韧性明显提高了10~15 J。说明有效的去氢退火工艺会促使氢从辊轴材质中释放出来，使辊轴材质韧性有所提高；同时也说明固溶在基体中的氢对辊轴脆性解理开裂起到了一定的促进作用。

2）CD样冲击性能提高幅度略次于AB样，这与辊轴中氢含量分布不均匀有关。

辊轴断裂原因分析讨论

辊轴断裂源区位于断口内部的凹坑区域，断口宏观形貌均为小刻面特征，微观形貌以解理断裂特征为主，呈典型的脆性解理断裂特征。

辊轴硬度检测值符合技术要求，但冲击韧性明显偏低，即辊轴材质处于脆性状态。辊轴基体常规化学成分符合相关技术要求，虽然氢的质量分数在（1.3~1.7）×10-6范围内，但在断口及附近区域分布非常不均匀，局部区域高达11×10-6，说明存在着氢含量严重偏高现象。

通过残余应力检测发现，辊轴轴线方向存在残余拉应力，应力值为40~50 MPa。同时，轴向残余应力测定样上也存在着明显的微裂纹，说明内应力已有所释放，释放前的实际应力高于40~50 MPa。另外，沿微裂纹制备的断口上存在类似“鱼眼”状特征，“鱼眼”周边呈拉应力形式的韧窝状特征，可进一步说明辊轴轴向曾存在能够促使裂纹扩展的内应力。需要指出的是，“鱼眼”中心存在环绕晶粒的显微气孔，内部含有Mn，S和Ti等夹杂物，说明辊轴在冶炼浇注过程中未能有效除掉氢等气体和夹杂物等，形成了气体与夹杂物聚集的显微气孔缺陷。这些显微气孔的存在往往为氢的聚集提供了有利场所，并且在经历了锻造后，由于辊轴整体压缩而进一步加剧了氢的聚集程度。

通过对辊轴基体取样进行去氢退火试验研究发现：当退火温度升高到840 ℃，基体显微组织和断裂性质无实质变化，但氢的质量分数从（1.3~1.7）×10-6降至（0.1~0.2）×10-6，冲击韧性明显得到提升。可见，有效的去氢退火工艺会促使氢从基体晶体结构中释放出来，使辊轴材质韧性有所改善。说明固溶在基体中的氢一方面降低了原子键合力，当降低到与局部应力相当时，键合遭到破坏，便发生解理破断；另一方面固溶氢容易与位错交互作用使位错被钉扎，滑移困难、基体变脆，在低应力作用下发生开裂。也就是固溶在基体中的氢对辊轴的脆性解理开裂也起到一定的促进作用。

综上所述，断裂辊轴发生了氢致脆性解理开裂，即氢脆。其中，氢一方面存在于冶金缺陷等部位，另一方面固溶于基体晶体结构中。辊轴冶炼浇注工艺的控制不当导致了氢残留在辊轴中且含量分布很不均匀，局部区域偏聚含量非常高，锻造又进一步加剧了氢的聚集程度。而在锻造和热处理阶段，都会产生残余内应力，即辊轴开裂之前其内部已经存在能够诱发氢脆产生的拉应力。这样，氢原子在一定内应力的作用下向气孔、微裂纹等显微缺陷部位发生扩散聚集，之后由原子合为分子，在局部区域高度富集，产生巨大的体积膨胀效应，引起很高的内部压力，再加上固溶氢已使基体韧性降低、断裂强度下降，进而导致辊轴的最终脆性开裂。

由于氢的聚集过程需要时间，所以辊轴发生滞后断裂，并且断裂时没有预兆，也无宏观塑性变形。又由于巨大体积膨胀效应，所以出现了辊轴轴头崩出很远的现象，属于危险性较高的断裂。

预防措施

1）严格控制辊轴冶炼和浇注质量，避免过多的氢残留在辊轴内，减少或降低氢含量分布不匀、局部偏高现象。

2）在辊轴锻后应及时进行有效的去氢工艺处理，可在一定程度上降低氢含量，减缓或避免氢脆的发生。

3）在辊轴热处理加热过程中，要限制加热速度，适时增加保温台阶，以尽可能地减小工件内部能够诱发产生氢脆的残余应力。

总结

1）辊轴断裂模式为氢致脆性解理断裂，即氢脆。

2）由于辊轴冶炼工艺过程中未能有效除氢，致使局部氢含量偏高，以及辊轴调质热处理环节产生了能够诱发氢脆的残余应力，从而导致辊轴内残存氢发生聚集膨胀而引起延迟崩裂。

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