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钢铁/粉末冶金 |
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中碳高强度锚杆用钢的研究 |
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作者：徐银浩 任耀剑 江利 |
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锚杆是锚固在煤、岩体内维持围岩稳定的杆状物。与其它支护相比， 它属于一种主动支护形式，具有支护工艺简单、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。
随着煤炭资源的不断开采，矿井的开采深度不断地加深。目前，我国煤矿的煤层开采深度平均每年加深9m ，采深大于700m 的矿井有50多处，而且我国煤炭资源总量的53 %埋深大于1000 m。由于深层开采所带来的高的地应力，高的冲击地压和大的围岩流变，给煤巷的锚杆支护造成了严重的困难。可以预计，高强度高承载能力锚杆的需求将越来越大。
因此，希望在保证δ5≥15%的前提条件下，使煤巷锚杆具有更高的强度(σs≥1000～1200MPa，σb≥1200～1400MPa) ，同时这种超高强度的锚杆还必须是廉价的，而且易于进行热处理强韧化。高强度钢的强度和塑性往往是矛盾的，提高强度，会导致塑性下降；而塑性好的钢，强度则不高。从目前的研究和发展看，相变诱发塑性，简称TRIP(Transformation In2duced Plasticity)，是能够同时提高钢的强度和塑性的一种强韧化方法。
锚杆是在岩石蠕变条件下工作的构件，其塑性变形发生在低应变速率范围。有研究人员研究了流变应力对变形速度的依赖关系，认为锚杆用钢的选择应以调质的低合金钢为最佳，热轧低合金钢次之，而普通低碳钢强度降低最为明显。据此，我们进行了下述试验研究。
试验方法
本试验中，低合金Si-Mn系TRIP钢的含碳量选择为中碳，试验用钢选择平均含量0.4%C-2%Si、Mn低合金钢。
试验用钢采用100kg中频炉熔炼，铸锭后改锻成<18mm棒料，经退火后加工成<10×50mm标准短试样。等温淬火热处理工艺为：在860℃加热奥氏体化，保温20min，在300℃、320℃、340℃、360℃的硝盐浴中进行等温淬火热处理。在WE-60万能材料试验机上进行拉伸试验。等温淬火后钢中的残留奥氏体体积分数用D/max-RA型X射线衍射仪测定， 其测量参数为：Cu靶，40kV， 衍射线经石墨单色器单色化，根据211α、220γ和311γ衍射峰积分强度计算残留奥氏体量。用S - 3000N 型扫描电子显微镜和奥林巴斯显微镜进行了断口和组织观察与分析。
试验结果与分析
1 不同等温时间对Si-Mn系TRIP钢拉伸性能的影响表1 不同等温温度处理之中碳Si-Mn TRIP钢的拉伸试验结果
 从表1可见，随着等温温度的升高，屈服强度、抗拉强度基本呈降低趋势。在340℃等温淬火时，延伸率δ5达到最大值18%，此时抗拉强度σb为1407MPa、屈服强度σ0.2达932MPa ；而在其他三个温度等温淬火时，虽然也具有较高的抗拉强度，但其延伸率基本上不超过15%可见，在本试验范围内，在340℃等温淬火具有高的强度和最佳的延伸率。这表明在此温度进行等温淬火，钢中产生较多的残留奥氏体，并产生明显的相变诱发塑性。拉伸试样的断口宏观上为明显的杯锥状断口， 断口纤维区的微观形貌是一种典型的等轴韧窝形貌，见图1。
图1 断口纤维区的SEM照片340℃×3h
2 不同等温时间对Si-Mn 系TRIP钢拉伸性能的影响
从图1中可以看出，在340 ℃等温时，所设计的中碳Si-Mn系TRIP钢具有最佳的延伸率和强度的配合，故研究了在此温度等温时等温时间对其强塑性配合的影响。试验用钢经860 ℃加热保温20min奥氏体化后，在340 ℃的硝盐浴中分别进行1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h 等温淬火。表2 不同等温时间对中碳Si MnTRIP 钢拉伸性能的影响
 从表2可以看出，随着等温时间的增加，屈服强度和抗拉强度先增加，达到峰值后又逐渐降低，延伸率也具有同样的规律。不同的等温时间对低合金Si- Mn系TRIP 钢拉伸性能的影响是比较明显的。在1～2h等温时，屈服强度逐渐增加，抗拉强度逐渐降低，而延伸率基本不变化，保持在15%。等温4 h时，屈服强度和抗拉强度达到最大值，分别达1133MPa和1535MPa，但延伸率最低。随着等温时间增加到5h和6h，抗拉强度明显下降，延伸率基本保持14.5%不变，而3h等温的试样具有最高的延伸率和较高的强度配合。在贝氏体相变区等温时， 随等温时间延长和贝氏体铁素体的形成，碳原子充分向奥氏体中扩散， 奥氏体中碳浓度增高， 奥氏体稳定性也增强； 但随着等温时间的延长(本试验中超过3h)， 贝氏体转变量增多，残余奥氏体量减少，TRIP效应也就降低 。
上述试验结果表明，低合金Si-Mn 系TRIP钢，经860℃加热保温20min奥氏体化后，在340℃的硝盐浴中进行等温淬火热处理3h，具有最佳的力学性能。试验用钢的屈服强度、极限强度和延伸率及强度与塑性配合的综合性能均有较明显的提高，这表明试验用钢按此等温淬火工艺处理后具有更明显的TRIP效应。
讨论
中碳Si-Mn钢经860℃奥氏体化后在340℃等温3h的组织如图2所示。可以看出，其等温转变组织主要是条状贝氏体铁素体，其亚结构为高密度位错；条间为膜状残留奥氏体，其体积分数达24%，含碳量可高达1.3～1.6 %，并受条状贝氏体形成时所产生的高的静压力。有文献指出，条间残留奥氏体的Ms 温度主要受到含碳量和静压力的影响，因为静压力约束了体积膨胀和伴随应变诱发马氏体相变所产生的剪切变形，故具有更高的稳定性，并估算出了低碳硅锰TRIP 双相钢条间膜状残留奥氏体的Ms温度比网状和孤立岛状残留奥氏体的Ms 温度低70～110 ℃。由于是在Ms～Md之间进行拉伸试验，所以仅含少量Si 、Mn 合金元素的奥- 贝TRIP钢，在拉伸过程中表现出了较高的力学性能，σb 达到1400MPa、σ0.2达930 MPa 、δ5 达18 %，强度与塑性配合(σb×δ5) 的综合性能达到25.2 ×103 MPa·%。我们在试验中采用X射线测得未拉伸试样中残余奥氏体含量为12% ，而拉伸断口的残余奥氏体含量小于1%。这说明在拉伸过程中，残余奥氏体得到了充分的转变。另外，试验用钢的硅、锰比基本在1∶1，此时带状组织的形成趋势最小，这也是我们能够获得较好的力学性能的原因。
图2 340℃等温得到的组织（340℃×3h）
结论
中碳Si-Mn 系TRIP钢经860 ℃加热，340 ℃等温3h，得到条状贝氏体铁素体和条间膜状残留奥氏体，条间残留奥氏体具有较高的稳定性。其抗拉强度δb可达1400MPa，屈服强度σ0.2达930MPa，延伸率δ5达18 %，完全可以满足煤巷锚杆的要求，而且在强度方面有很大的提高，达到超高强度的级别。(end)
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(3/16/2007) |
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