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低碳錨桿用鋼的研究
引言
錨桿是錨固在巖體內，維持圍巖巖體穩定的桿狀結構物。與其他支護相比，其屬于一種主動形式[1]，具有工藝簡單、支護效果好、材料消耗和支護成本低、運輸和施工方便等優點。煤巷錨桿的性能要求是桿體材料要有高的強度和高的承載能力，以控制巷道圍巖巖體的變形，同時還要求有一定的塑性，以允許巷道圍巖有一個卸壓和應力重新分布的過程，即適應圍巖的變形。控制圍巖變形與適應圍巖變形是相輔相成缺一不可的。特別是在松軟、破碎、膨脹性圍巖和采動影響條件下，巷道圍巖的強度低，變形量大，此時錨桿桿體的塑性顯得尤為重要。隨著煤炭資源的不斷開采，礦井的開采深度不斷增加。可以預計，高強度高塑性錨桿的需求將越來越大。
因此，我們希望能夠在保持σb≥800Mpa 的前提下，使煤巷錨桿具有更高的塑性（δ5≥25%）。通常，高強度鋼的強度和塑性往往是矛盾的。提高強度時，塑性下降；塑性好的鋼，強度則不高。從目前的研究和發展來看，相變誘發塑性（Transformation InducedPlasticity），簡稱TRIP[2-5]，是一種能夠同時提高鋼的強度和塑性的有效強韌化方法。
1 試驗方法
為獲得價格低廉的錨桿用鋼，進過分析，我們以工業廢鋼為原料，再添加適量的Si、Mn 合金元素，從而獲得我們所需的TRIP 鋼成分。試驗用鋼的化學成分見。試驗用鋼采用100kg 中頻爐熔煉，澆鑄成φ50mm×300mm 的鋼錠，鑄錠后解鍛成φ18mm棒料，最終經退火后加工成φ10×50mm 標準短試樣。試驗中使用CSS-44300 型電子萬能試驗機進行拉伸試驗；用OLYMPUS 金相顯微鏡觀察分析試驗用鋼的組織；用D/Max-3B 型X 射線衍射儀對殘余奧氏體的含量進行測量。熱處理工藝試驗在4kW 箱式爐和自制堿浴爐中進行。熱處理工藝為：試樣在810℃加熱保溫50min，340℃、380℃、420℃、460℃等溫一定的時間。
2 試驗結果及討論
2.1 不同等溫溫度對 Si-Mn 系TRIP 鋼拉伸性能的影響
試驗在 810℃加熱，340℃、380℃、420℃、460℃等溫1h，其力學性能試驗結果見。
從可以看出，不同溫度等溫1h，各試樣的延伸率均達到20%以上，其中在340℃等溫時，延伸率最高，達到26%，但它的抗拉強度最低，低于800MPa；而在380℃等溫時，它的延伸率達到了25%，抗拉強度達到了最高的850Mpa，同時綜合性能σb×δ5 在該條件下也達到了最高，為21250MPa%；在460℃等溫時，抗拉強度、延伸率及其綜合性能都是最低的。在380℃等溫的微觀組織圖。
由可以看出，在810℃加熱保溫50min， 380℃等溫1h 后，得到的最終的鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體的三相組織。試樣在拉伸時，發生TRIP 效應，使得試樣能夠在保證強度的同時提高了塑性，使得該試樣的強度和延伸率達到了良好的匹配。
2.2 不同等溫時間對 Si-Mn 系TRIP 鋼拉伸性能的影響
從 2.1 可以看出，在380℃等溫時，所設計的TRIP 鋼具有最佳的σb×δ5 綜合性能，故研究了此溫度等溫時，等溫時間對其強塑性配合的影響。試驗在810℃加熱，380℃等溫10min、20min、40min、60min、90min、120min，其力學性能試驗結果。
從可以看出，隨著等溫時間的增加，抗拉強度逐漸提高，在等溫40min 和60min時，基本不變，隨后繼續升高；延伸率在等溫20min 時達到峰值，然后又隨等溫時間的增加而逐漸降低。在等溫20min～60min 時，抗拉強度保持在840MPa～850MPa 之間，在保溫120min 時，抗拉強度達到最高的900MPa，而延伸率變為最低的20%；在等溫20min 時，抗拉強度為844MPa，但延伸率最好，達到最高的31%。從綜合性能來看，保溫20min 時達到頂峰，為26164MPa%，在60min 和90min 時，基本保持不變。總體看來，σb×δ5 隨等溫時間增加先提高然后逐漸降低。等溫20min 的微觀組織圖。
采用該熱處理工藝，810℃正好處于奧氏體和鐵素體兩相區之間，由于Si 是鐵素體形成元素，穩定鐵素體，凈化奧氏體，加快了多邊形鐵素體的轉變，使奧氏體中的碳含量得到提高。當試樣在380℃等溫時，隨著等溫時間的延長，碳向未轉變的奧氏體中擴散，奧氏體中的碳濃度得到提高，奧氏體也就越穩定，但等溫時間延長的同時，貝氏體轉變量也就越多，殘余奧氏體量減少，TRIP 效應逐漸降低 [8]。Mn 元素除了對鋼起到固溶強化的作用還能降低Ms點，提高殘余奧氏體的穩定性[9]。試樣通過亞溫加熱和380℃等溫兩段熱處理，確保了殘余奧氏體大量穩定的存在，最后得到了貝氏體、鐵素體、殘余奧氏體的三相組織。當其在Ms溫度以上塑性變形時，該組織必然會產生TRIP 效應而對塑性有所貢獻,使伸長率大幅度提高。
3 本試驗材料力學性能與其他材料力學性能對比
本試驗中，810℃加熱保溫50min。380℃等溫20min 試樣的力學性能與其他相關材料的力學性能對比見。
從可以看出，本試樣在經過熱處理之后，抗拉強度和塑性都達到了較高水平，其綜合性能在表中各鋼材中也是最優的。
4 結論
（1）試樣采用810℃加熱保溫50min，380℃等溫20min的熱處理工藝，可以使抗拉強度達σb達到844MPa，延伸率δ5達到31%，綜合性能達到最高的26164 MPa×%，其殘余奧氏體含量達到14.86%。
（2）低碳Si-Mn TRIP鋼經過熱處理后，可得到貝氏體、鐵素體、殘余奧氏體的三相組織。當其在Ms溫度以上塑性變形時,該組織必然會產生TRIP效應而對塑性有所貢獻,使伸長率大幅度提高。
（3）試樣在380℃等溫時，隨著等溫時間的延長，碳向未轉變的奧氏體中擴散，奧氏體中的碳濃度得到提高，奧氏體也就越穩定，但等溫時間延長的同時，貝氏體轉變量也就越多，殘余奧氏體量減少，TRIP 效應逐漸降低。
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[參考文獻] (References)
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