数控辗环机用5CrNiMo主芯辊断裂失效分析

李 波 谢 彬 孙东海 江绪平

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

数控辗环机是一台高精度、高效率的环锻件塑性成形设备，主要用于公司辗制火电、核电、工业透平汽轮机用汽封圈、调整垫片、隔板内外环、环形导叶片等锻件。其主芯辊、锥辊及主传动机构是热环件成形的重要工作部件。主芯辊作为主要塑性成形动力，受制坯料质量及材料特性等实际情况，主芯辊承载着变工况和多变形式载荷作用，如瞬间载荷冲击、扭转弯曲变形、疲劳等，因此主芯辊寿命长短直接影响到辗环件制造成本及生产周期。

某辗环机主芯辊才使用半年左右就发生断裂，未能达到采购技术标准规定的使用年限及频次。对该5CrNiMo主芯辊断裂进行全方位失效分析，找出使用寿命变短原因。

1 宏观形貌

主芯辊材料为调质态5CrNiMo，加工后整体重量为819 kg。其制造流程为：圆钢下料→锻造→退火→见光粗车→淬火、回火→半精车→UT检测(JB/T 4730.3—2005标准)→精车→PT(过渡R100%)。辗制汽轮机用汽封圈时在主芯辊工作部位直径320 mm并距离安装底面约800 mm处发生断裂，如图1所示。

主芯辊宏观断口及断裂位置如图2所示，失效断裂部位在主芯辊直径∅320 mm工作区域靠安装底部处。整个断口面80%左右基本与主芯辊轴安装底面平行，比较平坦且无材料本色，四周无磕碰等缺口现象，断面可见明显的漩涡放射花样，宏观形貌分析认为属于疲劳断面，疲劳源在直径320 mm主芯辊表面，并呈现由为外部向心部延伸。

图1 主芯辊断裂位置图Figure 1 Fracture location of main core roller

图2 主芯辊宏观断口及断裂位置图Figure 2 Macro-fracture and fracture positionof main core roller

2 受力分析

从图2分析可知，Ⅰ区为缺陷诱发源区；Ⅱ区为缺陷延伸区；Ⅲ区为瞬裂区。从缺口面看，缺陷诱发源区占比约20%，缺陷延伸区占比约20%，瞬裂区占比约60%。从断口纹理形貌分析，该断口属于圆周径向方向往复疲劳应力作用所致。

3 化学成分分析

选取数控辗环机主芯辊断面进行了化学成分分析，分析结果见表1，断裂主芯辊材料为5CrNiMo，Si、Mn、Cr、Mo、Ni、P、S等化学成分符合GB/T 1299—2014标准要求，但内部碳含量0.69%超过了标准范围(见表1)，该元素超标导致按正常热处理工艺处理后，实物硬度偏高引起脆性加大，5CrNiMo主芯辊在变工况运行下，材料综合性能大大降低。

表1 化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction, %)

4 硬度检查

选择主芯辊表面区、Ⅰ裂纹源区、Ⅱ断裂扩展区、Ⅲ瞬断区各三个点进行硬度检测；标准要求硬度为39～44HRC，实测硬度分布：表面41～43HRC，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区硬度在46～49HRC，且硬度从表面到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区呈递增分布。正常情况下大截面工件热处理后硬度分布为从表面到心部逐渐递减，这主要是由于淬火时冷却速度不同等原因所致，此主芯辊与正常调质硬度分布不相符。

图3 表面及芯部金相组织Figure 3 Metallographic structure of surface and core

5 金相检验

主芯辊断口表面取样进行金相检验的结果：非金属夹杂物B2级，D1.5级，晶粒度6.0级，回火索氏体+少量索氏体及铁素体，组织不均匀，组织偏析较明显，表面金相组织如图3(a)所示。

断口心部取样进行金相检验的结果：非金属夹杂物A2级，B2级，D1.5级，晶粒度3.0级，珠光体+少量回火索氏体及铁素体，组织偏析较明显，心部金相组织如图3(b)所示。与表面结果对比可看出，晶粒度较粗，且夹杂物明显较多，组织偏析现象较突出。

6 结论

(1)根据该5CrNiMo主芯辊宏观断口的漩涡放射花样形貌等疲劳断裂的典型代表特征，以及瞬裂区相对于缺陷诱发源区占比大，表明该断口属于圆周径向方向往复疲劳应力作用所致。

(2)从金相组织来看，主芯辊断口金相组织不均匀且晶粒粗大，出现了不该有的铁素体，组织偏析突出，且C含量超标导致按正常热处理工艺处理后主芯辊硬度偏高，降低了材料塑韧性。

(3)从工况来看，受辗环制坯料表面波浪度持续磨损将会产生微小热缺陷，形成5CrNiMo主芯辊尖点断口作用，受到塑性成形瞬间及连续不均应力冲击时，加之∅320 mm主芯辊在未预热前提条件下，受不同材料特性如不同始锻温度等交变工况作用，在表面形成“尖点”应力集中形成缺陷诱发源。并且由于冶炼及热处理控制不当等原因使得该5CrNiMo主芯辊综合性能差，导致该主芯辊在低于平均使用寿命时发生疲劳断裂。