低碳锚杆用钢的研究

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。
　　采用该热处理工艺，810℃正好处于奥氏体和铁素体两相区之间，由于Si 是铁素体形成元素，稳定铁素体，净化奥氏体，加快了多边形铁素体的转变，使奥氏体中的碳含量得到提高。当试样在380℃等温时，随着等温时间的延长，碳向未转变的奥氏体中扩散，奥氏体中的碳浓度得到提高，奥氏体也就越稳定，但等温时间延长的同时，贝氏体转变量也就越多，残余奥氏体量减少，TRIP 效应逐渐降低 [8]。Mn 元素除了对钢起到固溶强化的作用还能降低Ms点，提高残余奥氏体的稳定性[9]。试样通过亚温加热和380℃等温两段热处理，确保了残余奥氏体大量稳定的存在，最后得到了贝氏体、铁素体、残余奥氏体的三相组织。当其在Ms温度以上塑性变形时，该组织必然会产生TRIP 效应而对塑性有所贡献,使伸长率大幅度提高。
　　
　　3 本试验材料力学性能与其他材料力学性能对比
　　
　　本试验中，810℃加热保温50min。380℃等温20min 试样的力学性能与其他相关材料的力学性能对比见。
　　从可以看出，本试样在经过热处理之后，抗拉强度和塑性都达到了较高水平，其综合性能在表中各钢材中也是最优的。
　　
　　4 结论
　　
　　（1）试样采用810℃加热保温50min，380℃等温20min的热处理工艺，可以使抗拉强度达σb达到844MPa，延伸率δ5达到31%，综合性能达到最高的26164 MPa×%，其残余奥氏体含量达到14.86%。
　　（2）低碳Si-Mn TRIP钢经过热处理后，可得到贝氏体、铁素体、残余奥氏体的三相组织。当其在Ms温度以上塑性变形时,该组织必然会产生TRIP效应而对塑性有所贡献,使伸长率大幅度提高。
　　（3）试样在380℃等温时，随着等温时间的延长，碳向未转变的奥氏体中扩散，奥氏体中的碳浓度得到提高，奥氏体也就越稳定，但等温时间延长的同时，贝氏体转变量也就越多，残余奥氏体量减少，TRIP 效应逐渐降低。

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　　[参考文献] (References)
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　　[2] Zackay V F,Parker E R,Fahr D and Bush R,Trans.Am.Soc. Met.,60,(1967):252.
　　[3] Fahr D,Met.Trans.,2,(1971):1983.
　　[4] Olson G B,Azrin M,Met.Trans.,9A,(1978):713.
　　[5] Parker E.R.,Zackay V.F.Eng.Fract.Mech.,5,(1973):147.
　　[6] 周玉,武高辉. 材料分析测试技术[M]. 哈尔滨工业大学出版社. 2005：47,90~91.
　　[7] 江海涛,唐荻,刘强,刘仁东,严玲. TRIP 钢中残余奥氏体及其稳定性的研究, 钢铁, 2007,42(8): 60~63.
　　[8] 李壮,王洪顺,李景春,石继红. 低碳硅锰系TRIP 钢热处理工艺的研究, 2000,17(1): 30~33.
　　[9] 唐代明. TRIP 钢中合金元素的作用和热处理工艺的研究进展. 钢铁研究学报. 2012,20(1):1~4.
　　[10] 江利,张太超,崔永丽. 现代金属材料及应用[M], 中国矿业大学出版社,2012,42~45.

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