轧辊堆焊金属的耐热疲劳性能学习体会

文献概况

本文出自《焊接学报》2001年第22卷第2期，由天津大学材料学院冯灵芝等人与邢台特种轧辊厂合作完成。研究通过设计的热疲劳试验方法，对三种自制药芯焊丝和一种国产堆焊轧辊用实心焊丝的耐热疲劳性能及其影响因素进行了深入研究，探讨了堆焊金属中热疲劳裂纹的形成与扩展机理，并建立了相应的机理模型。该研究对于轧辊堆焊修复工艺的开发与优化具有重要的工程指导意义。

核心观点提炼

轧辊是轧钢生产中的核心部件，在高温、重载、循环载荷的恶劣工况下服役，堆焊修复是延长轧辊寿命的重要技术手段。本文的核心贡献在于揭示了堆焊金属热疲劳裂纹的形成与扩展机理，即循环应力和氧化气氛共同作用的结果，并指出抗氧化性越高、抗启裂能力越强。这一结论对于堆焊材料的选型和工艺优化具有直接的指导意义。

热疲劳试验方法与评价标准

热疲劳试验是评价堆焊金属在温度循环工况下性能的关键手段。本文设计的热疲劳试验方法考虑了以下关键因素：

热疲劳性能的评价标准主要包括：

• 裂纹萌生寿命：材料在温度循环下首次出现裂纹的循环次数。
• 裂纹扩展速率：裂纹萌生后扩展的速度，反映材料的裂纹扩展抗力。
• 总疲劳寿命：从开始加载到最终断裂的总循环次数。
• 裂纹形貌：通过 SEM 观察裂纹的微观形貌，分析裂纹扩展机制。

热疲劳裂纹形成与扩展机理

裂纹形成机理

文献指出，堆焊金属中热疲劳裂纹的形成是循环应力和氧化气氛共同作用的结果。这一结论揭示了热疲劳失效的双重机制：

• 循环应力机制：温度循环导致材料产生热应力，热应力与机械载荷的叠加使材料承受循环应力。当循环应力超过材料的屈服强度时，材料发生塑性变形，微观损伤逐渐累积，最终导致裂纹萌生。
• 氧化气氛机制：高温氧化气氛加速了材料表面的氧化反应，形成氧化层。氧化层的脆性、疏松特性使其在循环应力作用下容易开裂，氧化裂纹与热疲劳裂纹的相互作用加速了裂纹的萌生和扩展。

两种机制的协同作用可以概括为：循环应力提供裂纹萌生的驱动力，氧化气氛为裂纹萌生提供起始点（氧化微裂纹），两者共同作用使裂纹萌生寿命显著降低。

裂纹扩展机理

热疲劳裂纹的扩展机制通常包括以下阶段：

• 萌生阶段：在表面或近表面处，由于氧化微裂纹和热应力集中，裂纹开始萌生。
• 扩展阶段：裂纹在循环应力驱动下沿晶界或穿晶扩展，氧化气氛沿裂纹内部继续氧化，加速扩展。
• 加速扩展阶段：当裂纹扩展到一定长度后，应力集中系数急剧增大，裂纹扩展速率加快，最终导致断裂。

文献建立的机理模型图清晰地展示了这一过程，为工程人员理解热疲劳失效提供了直观的工具。

影响因素分析

抗氧化性的影响

文献明确指出，堆焊金属的抗氧化性越高，抗启裂能力越强。这一结论的工程意义在于：

• 抗氧化性高的材料在温度循环中形成的氧化层更加致密、稳定，不易产生氧化微裂纹。
• 致密的氧化层可以减缓氧向材料内部的扩散，延缓氧化损伤的累积。
• 抗氧化性高的材料通常含有 Cr、Al 等元素，这些元素形成的氧化物（Cr₂O₃、Al₂O₃）具有极高的化学稳定性和低氧扩散系数。

组织与夹杂物的影响

研究结果表明，堆焊金属的组织以及组织中存在的夹杂物对耐热疲劳性能有很大影响：

夹杂物促使热疲劳裂纹形成和扩展的机理在于：

• 夹杂物与基体之间的界面是应力集中区域，在循环应力作用下容易产生微裂纹。
• 夹杂物附近的基体组织往往不均匀，存在偏析或析出相，降低局部性能。
• 夹杂物本身可能成为氧化反应的起始点，加速氧化损伤。

工程实践启示

该研究对于轧辊堆焊修复工艺的开发与优化具有直接的指导价值：

第一，堆焊材料的选型应重点关注抗氧化性能。在满足耐磨性要求的前提下，优先选择抗氧化性高的堆焊材料，以延长轧辊的服役寿命。含 Cr、Al 等元素的堆焊合金是优选方向。

第二，堆焊工艺应严格控制夹杂物。在焊丝制造、焊接操作、熔池保护等环节，应采取有效措施减少夹杂物的形成和引入。例如，采用低氢焊条、加强熔池保护、控制焊接速度等。

第三，堆焊层的组织均匀性是保证热疲劳性能的关键。通过优化焊接参数（电流、电压、焊接速度、预热温度等），获得均匀、细小的组织，减少组织不均匀性带来的性能波动。

第四，焊后热处理是改善堆焊层性能的重要手段。适当的热处理可以消除残余应力、细化晶粒、改善组织均匀性，从而显著提高热疲劳性能。但热处理温度的选择需避免超过堆焊层的相变温度区间，否则可能破坏原有的强化机制。

学习反思与延伸思考

该研究发表于2001年，距今已有二十余年。回顾其技术路线，仍具有重要的参考价值，但也存在可以改进和拓展的方面。

首先，文献主要关注了热疲劳裂纹的形成与扩展机理，但对于裂纹萌生寿命的定量预测未作深入讨论。在实际工程中，预测堆焊层的剩余寿命是制定维护计划的关键依据。建议后续研究结合断裂力学方法，建立热疲劳裂纹萌生寿命的定量预测模型。

其次，文献研究的温度循环范围可能受限于当时的试验条件。随着轧钢技术的进步，轧辊的服役温度范围可能发生变化，建议在更宽的温度范围内开展热疲劳试验，以获得更加全面的性能数据。

第三，文献主要研究了静态热疲劳性能，但对于动态载荷下的热疲劳性能未作讨论。在实际轧钢过程中，轧辊承受的是动态载荷与温度循环的耦合作用，这种耦合效应对热疲劳性能的影响可能比单一因素更为复杂。建议后续研究开展动态载荷-温度循环耦合试验，建立更加贴近实际工况的评价方法。

从更宏观的视角看，轧辊堆焊修复技术是轧钢行业降本增效的重要手段。随着轧钢行业对轧辊寿命要求的不断提高，堆焊修复技术的研究将日益重要。未来的研究可能更多地结合先进表面技术（如激光熔覆、等离子喷涂等）、新型合金材料（如高熵合金、非晶合金等）、以及智能监测技术（如声发射监测、红外热成像等），实现对轧辊堆焊修复的全生命周期管理。

该研究的一个突出贡献在于建立了热疲劳裂纹形成与扩展的机理模型，这一模型为工程人员理解热疲劳失效提供了直观的工具。在实际工程中，可以通过分析裂纹形貌、氧化层特征等，判断裂纹的萌生机制和扩展路径，从而制定针对性的修复措施。这种基于机理的工程分析方法，对于提高轧辊堆焊修复的质量可靠性具有重要的指导意义。