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　　錨桿是錨固在煤、巖體內(nèi)維持圍巖穩(wěn)定的桿狀物。錨桿支護(hù)是煤礦巷道首選的、安全性高的主要支護(hù)方式，與其它支護(hù)相比，它屬于一種主動(dòng)支護(hù)形式，具有支護(hù)工藝簡單、支護(hù)效果好、材料消耗和支護(hù)成本低、運(yùn)輸和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著國家煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展和開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤炭安全生產(chǎn)已成為制約我國煤礦發(fā)展的突出問題之一，煤炭行業(yè)迫切期待更高強(qiáng)度級別的礦用支護(hù)錨桿。

 

　　由于煤礦巷道支護(hù)用錨桿鋼在礦井下要承受巖層的錯(cuò)層和位移帶來的巨大切應(yīng)力，該產(chǎn)品要求很高強(qiáng)度的同時(shí)具有很好的延伸塑性和耐沖擊性能。目前，國內(nèi)Rel≥520MPa，Rm≥800MPa高強(qiáng)錨桿鋼還是空白，錨桿鋼生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的錨桿鋼多為335MPa和400MPa級，也因沖擊功不穩(wěn)定而出現(xiàn)諸多問題。首鋼在國內(nèi)首次利用低合金成本，采用一火成材熱軋開發(fā)出沖擊韌性優(yōu)良、高安全性的低成本600MPa級高強(qiáng)度煤炭礦用巷道支護(hù)錨桿用鋼，成為國內(nèi)唯一能生產(chǎn)該強(qiáng)度級別錨桿鋼的廠家，并實(shí)現(xiàn)了批量供貨。本文主要研究在熱軋工藝下600MPa級高強(qiáng)度錨桿用鋼沖擊韌性，優(yōu)異的韌性性能，在減少斷桿尤其脆斷方面，對安全生產(chǎn)有著重要意義。

 

 

　　2.1化學(xué)成分

 

　　2.2力學(xué)性能

 

　　2.3生產(chǎn)工藝

 

　　采用V-N復(fù)合微合金化，開軋溫度控制在1010℃±50℃。在軋制中通過兩級控軋，細(xì)化晶粒；通過軋后兩級分段冷卻，弱化軋后一冷，提高沖擊功，主要利用軋后二冷進(jìn)行強(qiáng)制冷卻來保證高強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)“柔性軋制”。

 

 

　　3.1沖擊性能

 

　　首鋼生產(chǎn)開發(fā)的600MPa級高強(qiáng)度錨桿用鋼，晶粒度在9.5-10級之間，其屈服強(qiáng)度可達(dá)到660MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到880MPa，延伸率在20％-25％之間，滿足產(chǎn)品性能的要求。對高強(qiáng)錨桿鋼進(jìn)行-60℃-20℃系列標(biāo)準(zhǔn)V型缺口沖擊試驗(yàn)，試樣規(guī)格為10×10×55mm，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)繪出試樣沖擊功和溫度的曲線。

 

　   室溫條件下，SMG600高強(qiáng)度錨桿鋼沖擊功最高為90J(≥34D，且-20℃時(shí)沖擊功達(dá)到了65J，-40℃時(shí)沖擊功也達(dá)到了22J。如果按沖擊功降低常溫?cái)?shù)值50％來判定韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)，則該鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該在-40℃—-20℃之間，約為-30℃，表明采用低成本V-N復(fù)合微合金化，通過控制鋼質(zhì)純凈度和機(jī)間兩級控軋控冷的柔性軋制技術(shù)開發(fā)的600MPa級高強(qiáng)錨桿用鋼具有優(yōu)異抗沖擊能力。

 

　　3.2斷口分析

 

　　將低溫沖擊后的試樣經(jīng)酒精浸泡后迅速吹干，在掃描電鏡上對斷口形貌進(jìn)行觀察，隨著沖擊溫度的降低，試樣宏觀上表現(xiàn)為由韌性斷裂向脆性斷裂過渡，微觀斷裂機(jī)制則逐漸由韌窩斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔?，溫度降?40℃時(shí)有明顯的脆斷傾向。-40℃時(shí)斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理的脆性特征，準(zhǔn)解理斷口有明顯的撕裂棱，有放射狀花樣，并且起源于孔洞。此時(shí)接近解理斷裂。一20℃和室溫下試樣斷裂為韌性斷裂，韌斷機(jī)制是微孔聚合。韌窩是微孔長大的結(jié)果，韌窩內(nèi)大多包含著一個(gè)夾雜物或第二相，這證明微孔多萌生于夾雜物和第二相與基體的界面上。另外，也可以看出在試樣中的第二相粒子或夾雜物顆粒相對比較細(xì)小，較均勻的彌散分布在金屬中，從而形成相對較多的細(xì)小韌窩，也說明了這種600MPa級高強(qiáng)錨桿鋼具有良好的沖擊性能。

 

　　3.3組織分析

 

　　600MPa級高強(qiáng)錨桿鋼邊部和芯部顯微組織均為珠光體＋鐵素體，組織細(xì)小、且比較均勻，晶粒尺寸在10μm左右。

 

　　根據(jù)晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch公式δs＝δo十kyd-1/2，晶粒細(xì)化對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)與有效晶粒尺寸d的-1/2次方成正比，即晶粒越細(xì)小，強(qiáng)化效果越顯著。金相組織的晶粒大小對低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度有一定的影響，晶粒尺寸減小，能提高沖擊韌性值，并降低低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。一般理解為，晶粒細(xì)小時(shí)，晶界增多，而晶界能夠阻礙裂紋擴(kuò)展；晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加。則晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

 

　　對SMG600試樣進(jìn)行TEM觀察分析，發(fā)現(xiàn)在試樣滲碳體片層間的鐵索體上有細(xì)小彌散的第二相析出粒子，EDS能譜分析認(rèn)為是V、Ti的碳氮析出物，

 

　　晶粒細(xì)化能夠在提高強(qiáng)度的同時(shí)改善韌性，是最主要的強(qiáng)韌化方式；珠光體中鐵索體上的析出相在起到沉淀強(qiáng)化的同時(shí)，滲碳體片層出現(xiàn)碎化、熔斷，這也在一定程度上改善了鋼種的強(qiáng)韌性。通過V-N微合金化細(xì)化晶粒和沉淀析出，充分發(fā)揮了細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化兩種強(qiáng)化方式的作用，能夠達(dá)到600MPa級高強(qiáng)錨桿鋼良好的強(qiáng)度、韌性配合。

 

　　3.4有效晶粒研究

 

　　所謂有效晶粒，一般情況下，是指通過對比由電子背散射衍射(EBSD)所確定的組織中的“晶體學(xué)單元”和由夏比V型缺口沖擊(CVN)試驗(yàn)的裂紋擴(kuò)展路徑及解理面單元所確定的“形貌單元”而確定的。

 

　　Diaz-Fuentes等人利用EBSD研究低碳鋼的韌性行為，分析了與-60℃夏比沖擊試樣相對應(yīng)的最小裂紋反射角，發(fā)現(xiàn)只有那些晶界取向差大于15°的組織單元才是對其組織性能起作用的有效晶粒。關(guān)于該現(xiàn)象的解釋，文獻(xiàn)認(rèn)為，在>15°時(shí)晶界能的主要來源是由于屏蔽效應(yīng)所引起的靜電能。不管大角度取向差引起晶界能變化原因何在，都可以看到當(dāng)取向差接近15°后，晶界能達(dá)到最大值，并且保持不變，因而在該晶界角度，晶界的阻力最大，也即當(dāng)裂紋擴(kuò)展到晶界取向差為≥15°的晶界時(shí)，需要克服和消耗的能量最大，從而起到止裂的作用。借鑒于Diaz-Fuentes等人的研究成果，推斷高強(qiáng)錨桿鋼對材料韌性有貢獻(xiàn)的晶界取向差也應(yīng)該是>15°的晶界，利用EBSD得到>15°晶界取向差的錨桿鋼有效晶粒數(shù)據(jù)。 

 

　　根據(jù)EBSD結(jié)果表明，在所分析的高強(qiáng)錨桿鋼中，≥15°晶界的晶粒平均尺寸和金相顯微鏡的結(jié)果不同，這說明常規(guī)的金相晶粒度級別并不能準(zhǔn)確表征高鋼級材料晶粒尺寸參數(shù)，實(shí)際上，高鋼級鋼種的強(qiáng)韌性和有效晶粒尺寸相關(guān)，更高級別的鋼種其有效晶粒尺寸會(huì)更小，同時(shí)有效晶粒的細(xì)化也促使韌一脆轉(zhuǎn)變溫度的降低。

 

　　(1)首鋼利用低合金成本，采用一火成材，通過控制鋼質(zhì)純凈度、機(jī)間柔性軋制和軋后兩級控冷開發(fā)的600MPa級高強(qiáng)錨桿鋼，既具有較高的強(qiáng)度，又具有優(yōu)異的韌性，提高了深層煤礦巷道的支護(hù)效果，為安全生產(chǎn)提供了更好的保障。

 

　　(2)600MPa級高強(qiáng)度錨桿鋼具有良好的沖擊性能。在室溫下沖擊功可達(dá)90J，-40℃時(shí)沖擊功也有22J。該鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度為-30℃。隨著沖擊溫度的降低，試樣表現(xiàn)為由韌性斷裂向脆性斷裂過渡，-40℃時(shí)斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理的脆性特征；-20℃和室溫下試樣斷裂為韌性斷裂，韌性端口中均勻彌散分布的細(xì)小韌窩，也說明了該鋼具有良好的沖擊性能。

 

　　(3)600MPa級高強(qiáng)錨桿鋼邊部和芯部組織均為珠光體＋鐵素體，組織細(xì)小、均勻；TEM觀察表明，珠光體中鐵索體上的析出相在起到沉淀強(qiáng)化的同時(shí)，滲碳體片層出現(xiàn)碎化、熔斷，一定程度上改善了鋼的強(qiáng)韌性。通過V-N復(fù)合微合金化的柔性軋制技術(shù)，充分發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，能夠達(dá)到600MPa級高強(qiáng)錨桿鋼良好的強(qiáng)度、韌性配合。