低碳锚杆用钢的研究
引言
锚杆是锚固在岩体内,维持围岩岩体稳定的杆状结构物。与其他支护相比,其属于一种主动形式[1],具有工艺简单、支护效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便等优点。煤巷锚杆的性能要求是杆体材料要有高的强度和高的承载能力,以控制巷道围岩岩体的变形,同时还要求有一定的塑性,以允许巷道围岩有一个卸压和应力重新分布的过程,即适应围岩的变形。控制围岩变形与适应围岩变形是相辅相成缺一不可的。特别是在松软、破碎、膨胀性围岩和采动影响条件下,巷道围岩的强度低,变形量大,此时锚杆杆体的塑性显得尤为重要。随着煤炭资源的不断开采,矿井的开采深度不断增加。可以预计,高强度高塑性锚杆的需求将越来越大。
因此,我们希望能够在保持σb≥800Mpa 的前提下,使煤巷锚杆具有更高的塑性(δ5≥25%)。通常,高强度钢的强度和塑性往往是矛盾的。提高强度时,塑性下降;塑性好的钢,强度则不高。从目前的研究和发展来看,相变诱发塑性(Transformation InducedPlasticity),简称TRIP[2-5],是一种能够同时提高钢的强度和塑性的有效强韧化方法。
1 试验方法
为获得价格低廉的锚杆用钢,进过分析,我们以工业废钢为原料,再添加适量的Si、Mn 合金元素,从而获得我们所需的TRIP 钢成分。试验用钢的化学成分见。试验用钢采用100kg 中频炉熔炼,浇铸成φ50mm×300mm 的钢锭,铸锭后解锻成φ18mm棒料,最终经退火后加工成φ10×50mm 标准短试样。试验中使用CSS-44300 型电子万能试验机进行拉伸试验;用OLYMPUS 金相显微镜观察分析试验用钢的组织;用D/Max-3B 型X 射线衍射仪对残余奥氏体的含量进行测量。热处理工艺试验在4kW 箱式炉和自制碱浴炉中进行。热处理工艺为:试样在810℃加热保温50min,340℃、380℃、420℃、460℃等温一定的时间。
2 试验结果及讨论
2.1 不同等温温度对 Si-Mn 系TRIP 钢拉伸性能的影响
试验在 810℃加热,340℃、380℃、420℃、460℃等温1h,其力学性能试验结果见。
从可以看出,不同温度等温1h,各试样的延伸率均达到20%以上,其中在340℃等温时,延伸率最高,达到26%,但它的抗拉强度最低,低于800MPa;而在380℃等温时,它的延伸率达到了25%,抗拉强度达到了最高的850Mpa,同时综合性能σb×δ5 在该条件下也达到了最高,为21250MPa%;在460℃等温时,抗拉强度、延伸率及其综合性能都是最低的。在380℃等温的微观组织图。
由可以看出,在810℃加热保温50min, 380℃等温1h 后,得到的最终的铁素体+贝氏体+残余奥氏体的三相组织。试样在拉伸时,发生TRIP 效应,使得试样能够在保证强度的同时提高了塑性,使得该试样的强度和延伸率达到了良好的匹配。
2.2 不同等温时间对 Si-Mn 系TRIP 钢拉伸性能的影响
从 2.1 可以看出,在380℃等温时,所设计的TRIP 钢具有最佳的σb×δ5 综合性能,故研究了此温度等温时,等温时间对其强塑性配合的影响。试验在810℃加热,380℃等温10min、20min、40min、60min、90min、120min,其力学性能试验结果。
从可以看出,随着等温时间的增加,抗拉强度逐渐提高,在等温40min 和60min时,基本不变,随后继续升高;延伸率在等温20min 时达到峰值,然后又随等温时间的增加而逐渐降低。在等温20min~60min 时,抗拉强度保持在840MPa~850MPa 之间,在保温120min 时,抗拉强度达到最高的`900MPa,而延伸率变为最低的20%;在等温20min 时,抗拉强度为844MPa,但延伸率最好,达到最高的31%。从综合性能来看,保温20min 时达到顶峰,为26164MPa%,在60min 和90min 时,基本保持不变。总体看来,σb×δ5 随等温时间增加先提高然后逐渐降低。等温20min 的微观组织图。
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