（材料加工工程专业论文）冷辗扩芯辊失效分析与数值仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环件冷辗扩技术是高质量无缝环件生产的先进制造技术，在机械、汽车、造 船、冶金、化工、航空航天等领域有着广泛的应用。 冷辗扩芯辊是环件冷辗扩设备上一个关键的成形模具，其使用寿命的长短直 接关系着环件轧制的生产效率和成本，同时芯辊对轧制件的质量和精度有着重要 影响。由于芯辊受力状态的复杂性和工作环境的恶劣性，导致用于轧制小型轴承 套圈的芯辊易于发生断裂，以致芯辊寿命一直处于较低的水平。本文即针对环件 冷辗扩用芯辊寿命短的现象，以失效分析和数值模拟的方法对芯辊在轧制过程中 的一些基本规律进行深入的研究 本文以轧制g c r l 5 轴承圈的高速钢w 6 m 0 5 c r 4 v 2 冷轧芯辊为例，对不同寿 命的断裂芯辊进行失效分析。发现冷辗扩芯辊寿命分布呈现一定规律性，芯 辊寿命多分布在较高寿命区域( 大于8 0 0 0 次) 和较低寿命区域( 1 0 0 0 3 0 0 0 次) 利用扫描电镜对不同寿命的芯辊的断口形貌、疲劳源及表面缺陷进行比较和 分析，得到不同寿命的芯辊断裂的原因和特点。 以环件轧制理论为基础，运用相关的数学和理论力学知识，归纳、总结 了芯辊在闭式轧制中受力状态。建立了芯辊在轧制过程中的力学模型，分析 了芯辊在与毛坯的接触区域内所受辗压力及摩擦力分布规律。根据分析结 果，得到适合环件轧制工作环境的芯辊所应具有的力学性能和显微组织要 求，为芯辊热处理工艺改进提供依据。 在芯辊受力分析的基础上，以弹塑性有限元分析方法为基础，以 a n s y s l s d y n a 软件为平台，对芯辊进行动态和静态仿真分析。根据闭式轧 制中芯辊受力状态，在软件中建立了环件冷辗扩简化模型，对其进行仿真分 析。得到芯辊在轧制过程中应力变化规律以及该变化规律对芯辊疲劳寿命的 影响，为以后的芯辊疲劳寿命预测提供依据。根据毛坯咬入和锻透条件，设 定不同的芯辊迸给速度，得到进给速度对芯辊所受辗压力及应力影响规律。 同时在软件中对芯辊进行静态力学分析，找出在轧制过程中芯辊表面受力危 险区域。 关键词：冷辗扩芯辊，疲劳寿命，断裂分析，有限元分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o l d r i n gr o l l i n g i sa na d v a n c e dm e t a l p l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g y f o r m a n u f a c t u r i n gs e a m l e s sr i n gp a r t s w h i c hi se m p l o y e di nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d s , s u c h a sm a c h i n e r y , a u t o m o b i l e ，m e t a l l u r g y ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g , e n e r g ys o u r c e s , a n d a e r o n a u t i c s c o l dr i n g - r o l l i n gm a n d r e li s0 1 1 co ft h ei m p o r t a n ta n dd a m a g e a b l ep a r t so f r i n g - r o l l i n ge q u i p m e n t a n dt h el i f eo f c o l dr i n g - r o l l i n gm a n d r e lh a sad i r e c ti n f l u e n c e o nt h ee f f i c i e n c ya n dt h ec o s to f p r o d u c t s e x c e p tt h a t , c o l dr i n g - m u i n gp l a ya c r u c i a l r o l eo nt h eq u a l i t ya n dt h ea c c u r a c yo ft h ep r o d u c t s b e c a u s eo ft h ec o m p l e xs t r e s s a n db a dw o r ke n v i r o n m e n t , t h em a n d r e lw h i c hi su s e dt op r o d u c tb e a r i n gr i n gi se a s y t of r a c t u r e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s , t h el a wo fm a n d r e li nt h ec o l dr i n g r o l l i n gp r o c e s sh a sb e e ns t u d i e db ys o m er e s e a r c hm e t h o d s ，s u c ha sf a i l u r ea n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i st h e s i s , t h ef r a c t u r 嚣o ft h ew 6 m o s c r 4 v 2c o l dr i n gr o l l i n gm a n d r e l sw i t h d i f f e r e n tl i f ew e r ea n a l y z e d t h em a n d r e li su s e dt op r o d u c tg c r l 5b e a r i n gr i n g , w e f o u n dt h er e g u l a r i t yi nl i f ed i s t r i b u t i o no ft h eb r o k e nm a n d r e l st h a tt h em a j o r i t yo f m a n d r e l sc o n c e n t r a t e di nt w oz o n e s , h i i g hl i f ez o n e ( s o o o ) a n dl o wl i f ez o n e 0 0 0 0 - 3 0 0 0 ) t h em a c r o m i c r o g r a p h , f a t i g u es o u i f f l , e sa n ds u r f a c ed e f e c t so ft h e m a n d r e l s w i t hd i f f e r e n tl i f ew e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ec h a r a o e r so fm a n d r e l w i t hd i f f e r e n to p e r a t i n gl i f ew e r ef o u n da n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eo p e r a t i n gl i f e w c i ca n a l y z e d u t i l i z e dt h ec o r r e l a t i v ek n o w l e d g eo fm a t h e m a t i c sa n dt h e o r e t i c a lm e c h a n i c s ，t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o no fm a n d r e lh a sb e e ns t u d i e dt h a tb a s e do nt h ec o l dr i n gr o l l i n g t h e o r y a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c sm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d i tw a sr e v e a l e d t h el a wo ff r i c t i o nf o r c ea n dp r e s s u r ei nt h ec o n t a c ta r e a t h er e q u i r e m e n to f m i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yt h a ts u i t e dt ot h ew o r ke n v i r o n m e n t h a sb e e ng a i n e d i t 啪b eu s e da sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n to f h e a t 咒a t m e n t t h ed y n a m i ce x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i sc o d ea n s y s l s d y n ai su s e dt o s i m u l a t et h el a wo fm a n d r e li nc o l dr i n gr o l l i n gp r o c e s sb a s e do nt h er e s u l t so fs t r e s s d i s t r i b u t i o na n a l y s i s t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fm a n d r e li nc o l dr i n gm l i i n gh a sb e e n e s t a b l i s h e d t h el a w so ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fm a n d r e la n di t se f f e c t so nf a t i g u ei n 武汉理工大学硕士学位论文 c o l dr i n gr o l l i n gh a v eb e e ns t u d i e db a s e do nt h es i m u l a t i o no ft h em o d e l t h e r e s e a r c h e sc a nb eu s e da sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ep r e d i c t i o no ft h el i f eo f m a n d r e l t h el a w so ft h er o l lf o r c ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fm a n d r e li nt h ec o l dr i n g t o n i n gi nd i f f e r e n tf e e dv e l o c i t i e sh a v eb e e ng a i n e d a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so ft h e s t a t i ca n a l y s i s ，t h ee a s i e ra r e a si nt h es u r f a c eo fm a n d r e lh a v eb e e nf o u n d k e yw o r d s ：c o l dr i n gr o l l i n gm a n d r e l , f a t i g u el i f e ，f r a c t u r ea n a l y s i s ，f i n i t e e l e m e n t sa n a l y s i s m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：壹! 垫日期：望1 2 ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 茗。址导师签名： ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 环件辗扩是借助于辗环机使环件产生壁厚减小、直径扩大并能按设计实现 截面轮廓成形的一种塑性加工工艺【1 】，其实质是金属镦租与延伸变形。环件冷辗 扩则是指在常温下对坯料进行辗扩，冷辗扩的实现主要是使环形工件通过主动辊 和芯辊形成的间隙，在主动辊的压力和摩擦力的作用下使环件作旋转运动并产生 塑性变形，从而实现辗扩成型。冷辗扩加工的零件具有质量一致性、粗糙度低、 公差小、生产时间短和材料损失少等优点，该生产工艺通常用于制作直径为 1 5 m m 3 5 0 m m 的轴承内外圈、法兰、端盖、齿环和引擎涡轮环等。以及制作航 空工业中喷气引擎的钛及其超耐热合金窝座环，在机械、汽车、船舶、石油化工、 航空航天等许多工业领域中得到广泛的应用【2 1 。 1 1 1 环件轧制成形工艺简介 环件轧制按照轧制变形特点主要可分为径向轧制( 如图1 - 1 所示) 和径一轴 向轧制( 如图卜2 所示) 环件径向轧制中驱动辊为主动辊，同时作旋转轧制运动和直线进给运动；芯 辊为被动辊，作从动旋转轧帝4 运动；导向辊和信号辊分别为形状控制和尺寸控制 装置。在驱动辊作用下，环件通过驱功辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续局部塑 性变形，使环件产生壁厚减小、直径扩大的塑性成形当环件直径扩大到预定尺 寸时、环件外表面与信号辊接触，驱动辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过 程结束轧制过程中，导向辊的导向运动保证了环件的平稳转动。环件冷辗扩径 向轧制设备结构简单，广泛地用于中小型环件轧制生产，但轧制的环件其端面常 出现凹坑缺陷。 为了改善车l s a l 环件的端面质量和能够轧制成形复杂截面轮廓的环件，在径向 环件轧制设备的基础上，增加一对轴向端面轧辊，对环件的径向和轴向同时进行 轧制。这样使得径向轧制产生的环件端面凹陷在经过轴向端面轧制而得以修复平 整，同时还可使环件获得一定形状的端面轮廓。在径一轴向轧制中驱动辊作旋转 轧制运动，芯辊做径向直线进给运动，端面轧辊作旋转端面做旋转轧制运动和轴 向进给运功，环件产生径向壁厚减小、轴向高度减小、内外直径扩大、截面轮廓 成形的连续局部塑性变形环件冷辗扩径一轴向轧制设备结构复杂，主要用于大 型复杂截面环件的轧制中 武汉理工大学硕士学位论文 2 34 5 卜驱动辊2 一芯辊3 一导向辊4 一信号辊5 环件 图1 - i 径向轧制示意图 2345 卜驱动辊2 一芯辊3 一导向辊4 一环件5 - 端面轧辊 图卜2 径一轴向轧制示意图 2 武汉理工大学硕士学位论文 冷辗扩加工提高工件质量主要表现在以下四个方面【3 】： 1 ) 冷辗扩加工的工件材料内部组织全部受迫发生塑性变形，金属内部组织 致密而连续，使材料的强度、耐磨性和使用寿命提高。 冷辗扩加工在轧辊作用下产生塑性变形，工件的圆角、沟槽等结构尺寸 稳定，位置精度提高，有利于后续工序的加工，减少了加工的废品率。 3 ) 表面粗糙值较小通过冷辗扩加工后的工件一般较辗前工件的表面粗糙 值有明显的降低。 4 ) 生产效率高，劳动条件好。 1 1 2 环件冷辗扩设备现状 我国从8 0 年代就有部分企业生产冷辗扩设备如洛阳轴承研究所、洛阳国投精 密机械有限公司、青岛生建机械厂等，先后研制开发出d 5 6 g 系列数控精密冷辗 扩机、p c r 系列数控精密冷辗扩机、l n k l 2 0 a 和n k 7 0 a 型冷辗扩机，并投入批 量生产【4 l 。 国外，冷辗扩设备主要生产厂家有德国的巴德杜本和日本共荣精工德国巴 德杜本公司生产的u r w a 系列冷辗扩机采用计算机存储辗压力随时间变化的理 论曲线，然后将压力变化曲线与理论曲线进行比较，控制辗扩生产，因此机床的 加工精度比较高。 国产精密冷辗扩机主要有以下两种： ( 1 ) d 5 6 g 型冷辗扩机。该型冷辗扩机是洛阳国投精密机械有限公司在d 5 5 m 的基础上自主开发研制的数控精密冷辗扩机。d 5 6 g 型机床采用开式辗扩、水平 布置的形式，通过多辊支承保证了辗扩刚性用一对小滑块引导芯辊运动，带有 圆度控制辊以利于辗扩过程的稳定和圆度的控制。该机以微处理器为中心控制单 元，应用电液比例技术实现控制指令的要求，可对压力、工作机构的位置等进行 实时监控，可通过键盘输入和修改各预置参数。与其他冷辗扩机的最大区别是该 机的迸给运动是由伺服电机、滚珠丝杠控制的，因而精度较高，结构简单。对于 尺寸的检测应用一种专利技术，采用p l c 控制，并以双光栅任意选择控制和测量 环件内外径尺寸由于该机能保证环件内径尺寸精度，因此，对毛坯的要求较其 他冷辗扩机低。该机采用车削加工后的毛坯，其重量差不大于2 。辗扩后工件 的精度为：内径- + 0 0 5 m m ，宽度_ - 2 0 0 5 m m ，圆度0 0 5 m m ，尺寸分散度小于0 1 m m 。 ( 2 ) x s 型冷辗扩机该型冷辗扩机是宁波雄师机械制造有限公司制造，适用 于加工深沟球轴承、圆柱滚子轴承、调心球轴承的内外圈；各种标准或非标的双 沟球轴承内外圈；经过后续加工后的套圈也可供角接触球轴承使用，也可用于机 械行业黑金属、不锈钢和有色金属等材质的环形零件的批量生产。机械结构采用 3 武汉理工大学硕士学位论文 预应力对称框架式布局，材质选用高标号球墨铸铁，整体刚性好，精度保持性好； 主轴经精密加工，辗轮安装面经表面离子氮化处理，硬度达到7 5 0 h v 以上，能够 长期使用并保持良好精度；支撑轮为单元化的剖分式单辊支撑，可实现快速拆卸 或调整；轴系经优化设计，轴承采用圆锥滚子轴承，承载能力大，精度高；采用 世界独创的“全电驱动”模式，结构紧凑，可靠性高；导轨采用耐磨铸铁，经精密 研磨，具有刚性好、寿命长、定位精度高等特点。 国内生产的冷辗环机的结构型式和控制系统与国外生产的冷辗环机有所不 同，主要区别在于对产品精度的控制方式。国产设备与国外设备相比存在着性能 上的差异，在冷辗扩设备方面还要继续深入研究。 1 i 3 冷辗扩技术研究现状和发展方向 环件冷辗扩工艺的研究主要分为有限元模拟分析和理论研究两个方面。 早期的研究工作多是试验研究。1 9 6 8 年，j o h n s o n 5 】首先在立式轧环机上进行 了一系列轧制工艺基本参数试验研究，得到力学参数、变形区形状随进给量的变 化规律，发现环件轧制时径向变形区的径向对称点存在塑性铰。通过对比试验发 现环件在不同变形程度下由冷辗扩加工的材料屈服强度比用墩租加工的要小2 5 左右 1 9 7 3 年h a w k v a r d 【6 】在英国曼彻斯特大学安装了一台新型的环件试验轧机。该 轧机刚度大，芯辊可沿轴线移动，便于环件的装卸。利用该机器，h a w k y a r d 深 入研究了异形截面环件轧制时金属的流动特性。发现对环件毛坯进行预成形设计 可以提高金属的填充能力，并有效防止缺陷的产生。 国内，华林【1 】等系统研究了环件轧制的咬入条件、锻透条件以及静力学和动 力学。对环件轧制中的力学和运动学参数进行了试验测试和研究。许思广等人【_ 7 l 用塑性试验方法分析了环件轧制中金属产生较大变形后的应变分布，发现环件的 圆心在轧制时有从轧辊连心线向咬入侧偏离的趋势。 一般来说，试验研究具有一定的针对性，只能反映研究对象的某一方面。但 通过试验研究，人们可以逐步的认识环件轧制的一些基本理论。由于环件轧制是 一个复杂的问题，利用理论分析的方法进行求解时需要进行一定的假设，无法得 到环件轧制的一些精确全面的信息。但随着有限元法和计算机技术的发展，目前 人们利用数值模拟方法来弥补在环件轧制试验和理论分析中的不足。 进行有限元分析研究的学者，主要是许思广1 8 1 0 】和解春雷等人【1 1 一1 5 】许思 广用三维刚塑性有限元方法分析了横断面对称的环件轧制变形过程，并且分析了 环件轧制过程中的热耦合问题。解春雷等人用冈粘塑性显式算法有限元模型模拟 了环件轧制过程，模拟结果揭示了毛坯形状、尺寸、温度和轧制加载速度对工艺 4 武汉理工大学硕士学位论文 性指标和效率指标的影响。 1 9 8 8 年，y a n g l l 6 】等人对环件轧制的平面变形做了分析，获得了变形金属的 速度场和外力分布，计算除了应变速率分布，并将计算结果与实验数据进行比较， 发现两者相近u t s u n o m i y a 1 7 】采用弹塑性有限元法对冷辗扩成形过程进行了初步 的分析 从环件辗扩技术的发展趋势来看，该领域的研究方向主要为以下几个方面： ( 1 ) 冷辗扩生产设备。努力实现大型环件辗扩、高速环件辗扩、柔性环件辗 扩，使冷辗扩设备实现自动化操作，同时运用闭式辗扩技术，提高产品精度和生 产效率，实现少无切削加工 ( 2 ) 冷辗扩控制。通过理论研究，计算机模拟和试验研究等方法来研究环件 辗扩动力学规律和环件辗扩过程控制方法，为环件辗扩提供精密、可靠的控制系 统，实现环件高效精密辗扩成形。 ( 3 ) 复杂环件辗扩。通过对异形截面、复杂形状环件辗扩的变形规律、成形 理论和工艺方法的研究，通过辗扩用毛坯的优化和辗扩孔型的合理设计实现复 杂截面环件的直接成形辗扩生产。 ( 4 ) 冷辗扩模具寿命。通过辗扩工艺参数优化，模具材料选取，断裂与疲劳 的研究，模具强化技术的研究等方面提高模具寿命，以确保零件的生产质量稳定， 提高生产效率和节约生产成本。 1 2 冷辗扩芯辊的国内外研究现状 冷辗扩芯辊使用寿命是指该芯辊能够轧制合格产品的个数，一般认为冷辗扩 芯辊使用寿命在3 0 0 0 件以下属于过早断裂，寿命在3 0 0 0 件与8 0 0 0 件之间为非 正常断裂，8 0 0 0 件以上属于正常范围。芯辊是冷辗扩设备上的一个重要成形模 具部件，它直接接触环坯，压迫其产生塑性变形并成形为工件芯辊的物理特性 是轧机刚度、咬入条件、轧制压力等轧机主要参数的重要影响因素，也直接影响 着环件的成形质量。由于芯辊是在压力很高的条件下工作，加上因夹杂、边裂等 坯料质量问题造成的断带、粘辊、裂缝等轧制事故频繁，使得芯辊的工作状况极 为恶劣，造成芯辊经常出现早期失效情况。 黄石某轴承生产厂家以w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢棒材制作的冷轧芯辊，用来轧制 g c r l 5 轴承圈。芯辊经过正常的热处理后，在轧制过程中的寿命偏低，有大 量芯辊工作寿命不到3 0 0 0 次，另有部分芯辊寿命较高，超过了8 0 0 0 次。图 1 3 为随机抽查若干支断裂芯辊的寿命分布情况。从图中可以看出，该型冷 轧芯辊的寿命分布有两个相对集中的区域，分别是较低寿命( 2 0 0 0 3 0 0 0 次) 5 武汉理工大学硕士学位论文 和较高寿命( 7 0 0 0 8 0 0 0 次) 两个区域【埔1 。 芯 辊 的 数 量 支 、一 1 0 0 02 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 09 0 0 01 0 0 0 0i l o o o 芯辊的寿命( 轧制的件数) 图卜3 芯辊使用寿命分布图 德国、日本等国家的环件轧制工艺具有较高的水平，其制造的冷轧芯辊使用 寿命可以达到2 万6 万次芯辊的使用寿命与材料成分、制造技术、冷辗扩工艺 及其设备等因素密切相关。国内外冷辗扩芯辊寿命的差异主要是芯辊的制造材料 和热处理工艺、设备以及芯辊的表面强化等方面还存在某些差距l 埘。 目前国内冷辗扩芯辊失效的研究方面，多是关于现有材料的断裂机理研究和 热处理方式改进。如华林、贾耿伟等人对w 6 m 0 5 c t 4 v 2 钢冷辗冷轧芯辊疲劳裂纹 源区域的表层和次表层碳化物形态进行了比较和分析，研究了疲劳裂纹源的形成 机理i 捌指出碳化物是w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢冷辗冷轧芯辊最终热处理后的重要组成 相，也是高寿命冷轧芯辊( 冷辗轴承套圈的件数在一万以上) 产生疲劳裂纹源的 原因之一。通过改善表层和次表层碳化物的分布和形态，使碳化物细小并且分布 均匀，能有效延缓w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢冷辗冷轧芯辊疲劳裂纹源的形成。 冯光学研究发现，以往对w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢冷轧芯辊的热处理工艺单纯追求冷 轧芯辊的强度及耐磨性而忽视其韧性，导致冷轧芯辊平均使用寿命低下【2 。经 过对热处理工艺的改进，发现对w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢冷轧芯辊进行等温球化退火预处 理后冷轧芯辊获得了细小粒状且均匀分布的碳化物，再经亚温淬火处理会得到组 织更为细小均匀的下贝氏体，结果会使冷轧芯辊平均使用寿命得到大幅提高。 在冷轧轧辊材料方面，国内外冷轧工作辊一般使用的材料有g c r l 5 、9 c r 2 、 9 c r 、9 0 r 2 m o 、8 6 c r m o v 7 、m 0 3 a 等2 0 世纪5 0 年代左右，这一时期的轧件主 要是碳素结构钢，强度和硬度不是很高，所以轧辊一般采用1 5 2 c r 锻钢。 6 劭 印 印 们 卸 武汉理工大学硕士学位论文 从2 0 世纪7 0 年代起，随着冷轧轧件合金化程度的提高，轧件的强度和硬度也随之 增加。国际上也开始采用c r y 量约2 的c r - m o 型或是c r - m o - v 型钢作为冷轧芯辊 的材料。如我国一直使用的9 c r 2 m o 和8 6 c r m o v 7 、德国的8 6 眈m o v 7 、日本的 m c 2 等【2 2 1 但是这类材料合金化程度较低，淬硬层深度一般为1 2 1 5 m m ，仅仅 能够满足一般要求，而且使用中剥落和裂纹倾向严重，轧制寿命低。进入9 0 年代 后，冷轧辊用钢材料突破了铬系锻钢的局限，进一步向高合金化发展国外对 5 c r 含量的冷轧辊钢进行了化学成分优化，主要是在钢中增加了钼、钒的含量 或加入钛、镍等元素，这些合金元素的添加不仅增加了冷轧辊用钢的强度，而且 提高了冷轧辊用钢的综合性能 目前冷轧辊的研究和发展方向主要是在进一步提高强度和淬硬层深度的同 时，保证其具有一定的韧性。以上两方面的要求推动了高速钢复合轧辊的研究 高速钢复合轧辊是用锻钢作为芯部材料，高速钢作为复合轧辊的外部材料，成为 轧辊的工作层，然后把工作层和芯部以冶金或套装的方式结合起来的高性能轧 辊。这种轧辊具有很高的抗磨性与硬度同时也具备了很好的韧性田】 当前，在国内有多个轴承厂家采用不同的材料制造冷轧芯辊，使用的材料主 要是高强度钢冷作模具钢。包括c r l 2 m o v 、l d 钢以及高速钢等，但是在寿命上 都还没有达到理想的效果。 1 3 课题提出目的与意义 冷轧芯辊是环轧设备上的重要部件，也是易损部件。芯辊对于环件冷辗扩有 着重要影响，除影响轧制件的质量和精度外，其工作寿命的长短也直接影响着生 产效率和生产成本的高低，因此，芯辊也是环轧工艺水平的重要标志。 目前国内的冷辗扩设备制造企业多采用高强度的冷作模具钢来制作冷轧芯 辊，如w 6 m 0 5 c f 4 v 2 钢、l d 钢和c r l 2 m o v 钢等。但在生产中，由于芯辊的受 力状态的复杂性和工作环境的恶劣性，导致轧制小型轴承套圈的芯辊易于在所受 应力低于疲劳强度条件下，产生过早断裂。由此可见，芯辊失效机理的研究对提 高环件冷辗扩生产效率和降低生产成本有着重大的意义 芯辊寿命与材料、制造技术、冷辗扩工艺及其设备等很多因素有关。本课题 力图从失效分析和有限元模拟两个方面解决小型轴承套圈的芯辊寿命短的问题。 首先对断裂芯辊进行失效分析，查找出导致芯辊产生过早断裂的原因建立芯辊 在冷辗扩闭式轧制过程中的力学模型，然后以弹塑性动力显式有限元法为基础， 利用a n s y s l s d y n a ：t 芎限元分析软件对环件轧制过程进行模拟，从而得到芯辊 在轧制过程中其应力、表面压力变化规律，为芯辊疲劳寿命分析打下基础，同时 7 武汉理工大学硕士学位论文 分析当轧制工艺参数改变时，对芯辊所受应力的影响，得到工艺参数对芯辊寿命 的影响规律。具体进行的研究工作主要有： ( 1 ) 对断裂芯辊进行失效分析，找出不同寿命芯辊断裂原因。 ( 2 ) 以环件轧制理论为基础，得出闭式轧制过程中芯辊受力状态，建立合 理的芯辊力学模型。 ( 3 ) 以芯辊力学模型为基础，利用有限元分析软件a n s y 朝s d y n a 对环 件轧制过程进行动态和静态仿真。 ( 4 ) 分析并研究芯辊在轧制过程中应力变化规律以及工艺参数对芯辊寿命 的影响规律。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章断裂失效分析 断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效，其分类比较复杂，一般有 如下几种【甜一2 5 1 ： ( 1 ) 按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、 沿晶断裂和疲劳断裂： ( 2 ) 按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂； ( 3 ) 按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。 断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手，确定断裂失效模式，分 析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件( 如温度、 介质等) 等之间的关系，揭示断裂失效机理、原因与规律，进而采取改进措施与 预防对策 2 1 韧性断裂失效分析 韧性断裂是零件断裂之前，在断裂部位出现比较明显的塑性变形。在工程结 构中，韧性断裂一般表现为过载断裂，即零件的危险截面处所承受的实际应力超 过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。 2 。1 1 韧性断裂特征 韧性断裂一般具有以下几个特点： 断裂之前有相当大数量的塑性变形。 通常在断裂终端区域能观察到剪切唇。 根据不同的材料，断口表面可能出现纤维状或可能会有丝状结 构。 断裂处的横截面通常会因缩颈而减小。 断裂裂纹生长缓慢。 断口的宏观特征主要有： ( 1 ) 断口附近有明显的宏观塑性变形。 ( 2 ) 断口是典型的“杯锥状”失效断面零件首先出现局部。颈缩”， 并在“颈缩”区域产生小的分散的空穴，接着这些小空穴不断增加和扩大并 聚合成微裂纹，裂纹方向一般垂直于拉应力方向，最后，裂纹沿剪切面扩展 到试件表面。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 断口表面呈纤维状，其颜色为暗灰色。其微观特征主要是断口上存在 大量的韧窝。不同的加载方式造成的韧性断裂其断口上的韧窝形状是不同的，需 要根据电镜观察才能做出准确的判断 2 1 2 韧性断裂机理 韧性断裂最主要的特征是伴有大量的塑性变形，其主要的断裂机理为滑移分 离和韧窝断裂。 2 1 2 1 滑移分离 韧性断裂的滑移分离是指在韧性断裂之前晶体会产生大量的滑移，而过量的 滑移变形会出现滑移分离，其微观形貌主要有滑移台阶、蛇形花样等。 金属材料滑移的一般规则是：滑移方向总是原子的最密排的方向；滑移通常 是在最密排的晶面上发生；滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生 滑移分离的基本特征是：断面呈4 5 。角倾斜；断口附近有明显的塑性变形 滑移分离是在平面应力状态下进行的。滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移 带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。 2 1 2 2 韧窝断裂 韧窝是金属韧性断裂的主要特征，是由于材料在微区范围内塑性变形产生的 显微空洞，经过形核、长大、聚集，最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的 痕迹。 韧窝的形成机理大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和聚集三个阶 段其形状主要取决于载荷条件，最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪 切韧窝。 等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下，显微空洞周边均匀 增长，断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。剪切韧窝是在切应力作用下形成的， 通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上，其形状呈抛物线形，匹配断面上抛物线 的凸向相反撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成，常见于尖锐裂纹的前端及平面 应交条件下低能撕裂断口上，也呈抛物线形，但在匹配断口上，撕裂韧窝不但形 状相似，而且抛物线的凸向也相同。在实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共 存，或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝。 韧窝的大小包括平均直径和深度，深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量。 影响韧窝大小的主要因素有第二相质点的大小与密度、基体塑性变形能力、硬化 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 指数、应力的大小与状态及加载速度等。通常对于同一材料，当断裂条件相同时， 韧窝尺寸愈大，表征材料的塑性愈好。 2 2 脆性断裂失效分析 金属脆性断裂是很少或不出现宏观塑性变形( 一般按光滑拉伸试样盼孵5 ) 情况下发生的断裂，因其断裂应力低于材料的屈服强度，故又称作低应力断裂。 由于脆性断裂大都没有事先预兆，具有突发性，对工程构件与设备以及人身安全 常常造成极其严重的后果， 2 2 1 脆性断裂特征 金属脆性断裂其基本特征主要有： 零件断裂成两部分或碎成多块 断裂后的残片能很好的拼凑复原，断口能很好的吻合，在断口处附近没 有宏观的塑性变形迹象。 脆性断裂时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度。 脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始 材料的脆断倾向随着温度的降低而增加。 脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能够观察到放射 状或人字状条纹。 一旦发生开裂，裂纹以很高的速度扩展，其扩展速度可以达到声速。 脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属 只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。 2 2 2 脆性断裂机理 金属材料的脆性断裂主要分为穿晶断裂( 解理和准解离断口) 和沿晶断裂两 大类 2 2 2 1 穿晶断裂 解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体 学平面( 即解理面) 快速分离。解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶 系的金属及合金，在一般情况下，不发生解理断裂。 解理裂纹大都在有界面存在的地方及位错易于塞积的地方( 例如晶界、亚晶 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 界、孪晶界，杂质及第二界面) 形核。解理裂纹萌生的模型有位错单向塞积、位 错双向塞积、位错交叉滑移和刃型位错合并等。解理裂纹形成后能否扩展至临界 长度，不仅取决于应力大小和应力状态，而且还取决于材料的性质和环境介质与 温度等因素。 解离断裂区通常呈现典型的脆性状态，不产生宏观的塑性变形。脆性断口的 宏观特征主要具有以下两个明显的特征： ( 1 ) 小刻面是解理断裂断口上明显的宏观特征小刻面就是结晶面，呈现无 规则取向。解理断口是由很多的小刻面组成的，断口呈现结晶状，但看不到放射 花样。 ( 2 ) 脆性解理断口有时还具有另一个特殊的宏观形貌特征，呈现出裂纹急速 扩展形成的放射状撕裂棱形，根据形貌特征可分为人字条纹、山形条纹或松枝状 条纹。这几种条纹的交点均指向裂纹源。 准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之简的一种过渡断裂形式f 硐。准解 理的形成过程是首先在不同部位( 如回火钢的第二相粒子处) ，同时产生许多解 理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的 解理小刻面相连，形成撕裂棱。准解理断口呈结晶状，断口齐平，呈亮灰色，有 强烈的金属光泽和明显的结晶颗粒或类似细瓷碎片的断口，基本上无塑性变形或 宏观塑性变形较小 准解理断口经常出现在淬火回火的高强度钢中，有时也出现在贝氏体组织的 钢中。其微观形貌特征具有河流花样、小解理刻面以及由隐蔽裂纹扩展接近产生 塑性变形所形成的撕裂棱，有时也由舌状花样。准解理裂纹具有解理断口的形貌 特征，又具有韧性断口的形貌特征。 准解理断口与解理断口的不同之处在于：准解理断裂起源于晶粒内部的空 洞、夹杂物和第二相粒子，而不像解理断裂那样，断裂起源于晶粒边界或相界面 上。裂纹传播的途径不同，准解理是由裂源向四周扩展，不连续，而且多是局 部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展，表现河流走向。准解理小平面的位向 并不与基体( 体心立方) 的解理面 1 0 0 严格对应，相互并不存在确定的对应关 系。准解理断口宏观形貌比较平整，基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小， 呈脆性特征。其形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。 2 2 2 2 沿晶断裂 沿晶脆性断裂是沿晶粒界面所发生的断裂，断口的微观特征是晶界面上相当 光滑，整个断面上多面体感很强，没有明显的塑性变形，具有晶界刻面的“冰糖 状”断口形貌，反应出晶粒这种多面体的特征。它是多晶体沿不同取向的晶粒所 武汉理工大学硕士学位论文 形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生断裂 沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。按断面的微观形 貌，通常可将沿晶断裂分为沿晶韧窝断裂和沿晶脆性断裂 沿晶韧窝断裂是由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核，然后以剪切方式形成空 洞，最后空洞连接形成的细小韧窝而分离。沿晶脆性断裂是指在断后的沿晶分离 面平滑、干净及无微观塑性变形特征，往往呈现冰糖块形貌。回火脆、氢脆、应 力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶光面断裂特 征；而蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌另 外还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂，如沿焊接结合面 发生的断裂；二是沿相界面发生的断裂，如在两相金属中沿两相的交界面发生的 断裂。 2 3 疲劳断裂 金属构件在交变载荷作用下发生的断裂称为疲劳断裂。根据统计，机械零件 失效中有8 0 以上属于疲劳失效。图2 - 1 为试样在受到交变载荷的作用下，疲劳 裂纹与应力循环次数的关系1 2 7 1 ； 轴句 勘0 圈曰 最终 _ 谶 断裂 衷面 图2 1 疲劳裂纹与循环次数的关系 武汉理工大学硕士学位论文 从图中可以看出金属零件的疲劳断裂是经过了疲劳裂纹的产生与扩展，最后 瞬间断裂的过程。 2 3 1 疲劳断裂的特点和分类 疲劳断裂与静载断裂和其他方式断裂相比具有以下几个特点： 疲劳断裂属于脆性断裂，表现为突然断裂。在静载下显示韧性或脆性破 坏的材料，在疲劳断裂前均不发生明显的塑性变形。 引起疲劳断裂的循环交变应力较低，常常低于材料的屈服强度，有时会 低于弹性极限。 。 疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性；疲劳失效的过程是 积累损伤的过程。由变动应力( 应变) 作用引起的损伤是随着载荷次数逐次增加 的 疲劳对缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。缺口和裂纹都会加 大材料的损伤作用；组织缺陷( 夹杂、疏松、白点、脱碳等) 会降低材料的局部 强度。两者都会加快破坏的开始和发展。 很大一部分构件承受弯曲或扭转载荷，其应力分布是表面最大，故表面 状况对疲劳抗力有极大的影响。 疲劳断裂按照应力状态分，可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、抗压疲劳、接触疲 劳等；按照应力高低和断裂寿命分，可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是指 零件在较低的交变应力作用下至断裂的循环周次较高( 循环周次n 1 0 勺低周疲 劳是指零件在较高的交变应力作用下至断裂的循环周次较低( 循环周次n 1 0 5 ) 。 2 3 2 疲劳断裂机理 疲劳断裂过程可分为疲劳裂纹的萌生、稳定扩展以及失稳扩展断裂三个阶 段，而疲劳裂纹的稳定扩展又可分为两个阶尉2 s 1 。 。 2 3 2 1 疲劳裂纹的萌生( 形核) 对于实际零件，疲劳断裂裂纹首先萌生于零件表面应力集中处或不同类型的 缺陷部位。但是当零件的心部或内表面存在着较大的缺陷，如夹杂物、气孔、白 点等，则断裂也可以从构件的亚表面或内部开始。一般的疲劳裂纹在表面形核， 其萌生机理主要有三种： ( 1 ) 滑移带开裂 滑移带开裂是基本的方式，也是最常见的疲劳裂纹萌生方式。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在交变载荷作用下，材料发生局部滑移，出现的滑移带分布不均匀且粗大。 随着循环次数的增加，滑移线在某些局部区域内变租形成驻留带驻留滑移带的 产生使得整个零件的塑性变形大都集中与此，造成了材料的。软化”进一步增 加循环次数，驻留滑移带本身仍不断加宽，而且逐渐向零件内部延伸，而新生的 滑移线则逐渐布满各个晶粒，当加宽到一定程度的时候，由于位错的塞积和交割 作用，便在驻留滑移带处形成微裂纹。 由于晶体的滑移，将导致在滑移带上出现“挤出”和。挤入”的现象如图 2 - 2 所示。 图2 2 滑移带中的挤入、挤出现象 挤入一挤出现象造成了零件表面粗糙化，相当于产生了很多的小缺口，缺口 的应力集中效应又加剧了驻留滑移带的局部滑移，加速疲劳裂纹的产生。 ( 2 ) 晶界和孪晶界开裂 当有共格孪晶界存在时，驻留滑移带通常优先在此出现，并导致疲劳裂纹的 萌生多晶体金属的晶界处也是疲劳裂纹容易萌生的地区由于循环应力的继续 作用，位错在某一晶粒中运动时受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积， 并在晶界处造成应力集中，当其应力峰值达到断裂强度时，晶界开裂并形成裂纹。 金属的晶粒尺寸越大，晶界上可能出现的位错塞积就越长，就更易于形成裂 纹。 ( 3 ) 相界面开裂 当金属材料中存在着非金属夹杂物的时候，夹杂物于基体相交的界面便成为 疲劳裂纹优先萌生的部位。在高强度钢中，硬度高于基体的夹杂物对疲劳性能是 武汉理工大学硕士学位论文 有害的夹杂物的尺寸对疲劳裂纹的萌生会产生很大的影响，只有大于某一临界 尺寸的夹杂物才能萌生裂纹，但是小夹杂物会影响疲劳裂纹的扩展速率 2 3 2 2 疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹核心形成之后，疲劳裂纹就会扩展。在没有应