劉 帥，郭曉勇

（山西建邦集團(tuán)有限公司，山西 臨汾 043400）

隨著國家對(duì)煤礦開采的安全越來越重視，螺紋鋼等強(qiáng)錨桿作為我國現(xiàn)階段廣泛用于煤巷、半煤巷支護(hù)，對(duì)其的安全可靠性的要求也越來越高。我公司于 2012年開始研發(fā)，目前已形成335MPa、400MPa、500MPa、600MPa強(qiáng)度級(jí)別的系列產(chǎn)品，成為全國重要的錨桿生產(chǎn)基地之一。針對(duì)在等強(qiáng)錨桿在使用過程中偶爾會(huì)出現(xiàn)性能指標(biāo)符合要求，但在桿體螺紋段牙口受彎曲模擬地下剪切力實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)裂紋、裂縫乃至脆斷的現(xiàn)象。我公司內(nèi)部從鋼筋力學(xué)性能、金相檢驗(yàn)、斷口形貌、螺紋加工方式等方面，分析錨桿鋼筋螺紋發(fā)生此類現(xiàn)象的原因。

1 樣品準(zhǔn)備如下

從公司樣品存樣處取6支樣品進(jìn)行分析，樣品編號(hào)如下：

A1：正常等強(qiáng)錨桿，鋼筋母材規(guī)格20mm, 450mm長，2支。

A2：正常等強(qiáng)錨桿，鋼筋母材規(guī)格20mm，450mm長，2支。

A3：正常等強(qiáng)錨桿，鋼筋母材規(guī)格20mm，450mm長，2支。

A4：等強(qiáng)錨桿一段縮頸滾絲，鋼筋母材規(guī)格20mm，滾絲長度150mm，450mm長，2支。

A5：等強(qiáng)錨桿一段縮頸滾絲，鋼筋母材規(guī)格20mm，滾絲長度150mm，450mm長，2支。

A6：等強(qiáng)錨桿一段縮頸滾絲，鋼筋母材規(guī)格20mm，滾絲長度150mm，450mm長，2支。

2 試驗(yàn)分析

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)，彎曲實(shí)驗(yàn)

2.1.1 拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：YB/T4364-2014《錨桿用熱軋帶肋鋼筋》檢驗(yàn)，A1～A6樣品各1支實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下：

A1試樣下屈服465MPa，抗拉650MPa，斷后伸長率23%。

A2試樣下屈服455MPa，抗拉650MPa，斷后伸長率22%。

A3試樣下屈服475MPa，抗拉660MPa，斷后伸長率23%。

A4試樣下屈服475MPa，抗拉665MPa，斷后伸長率24%。

A5試樣下屈服465MPa，抗拉660MPa，斷后伸長率23%。

A6試樣下屈服475MPa，抗拉660MPa，斷后伸長率23%。

2.1.2 彎曲試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：GB/T232-2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》檢驗(yàn)，采取三點(diǎn)彎曲方法4d彎芯，A1～A3不指定頂點(diǎn)位置，A4～A6頂點(diǎn)盡量在縮頸滾絲處，結(jié)果如下：

A1試樣彎曲90°表面完好。

A2試樣彎曲90°表面完好。

A3試樣彎曲90°表面完好。

A4試樣彎曲90°表面完好。

A5試樣彎曲90°表面裂紋。

A6試樣彎曲90°表面裂紋。

2.2 取A5試樣，對(duì)其形貌和組織、夾雜物、硬度分析

2.2.1 形貌和組織

圖1 A5 6.3X縮頸滾絲處裂縫

圖2 A5 未彎曲100X無明顯裂紋

從圖1宏觀照片觀察到，縮頸滾絲后的等強(qiáng)錨桿用三點(diǎn)彎曲法彎曲螺紋牙口外弧根部出現(xiàn)明顯的發(fā)紋，裂紋，裂縫等現(xiàn)象，彎曲螺紋牙口內(nèi)弧根部由于擠壓變形宏觀沒有明顯裂紋。

從圖2金相觀察，未彎曲的螺紋根部牙口組織有拉長變形，變形組織區(qū)域深度167μm；沒有變形的區(qū)域組織為鐵素體+珠光體組織，為正常組織。

從圖3金相觀察，滾絲后的等強(qiáng)錨桿螺紋牙口根部彎曲外弧出現(xiàn)長度330μm撕裂狀裂紋，滾絲后的等強(qiáng)錨桿螺紋牙口根部彎曲外弧侵蝕后組織可看出裂紋主要在組織變形區(qū)域內(nèi)撕裂狀，深度為224μm。

圖3 A5彎曲處外弧裂紋100X深度245μm

從圖4金相觀察，滾絲后的等強(qiáng)錨桿螺紋牙口根部彎曲內(nèi)弧出現(xiàn)長度214μm擠壓狀裂紋；滾絲后的等強(qiáng)錨桿螺紋牙口根部彎曲外弧侵蝕后組織可看出裂紋主要在組織變形區(qū)域內(nèi)撕裂狀，深度為214μm。

2.2.2 夾雜物分析

實(shí)驗(yàn)方法：GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法 》B法檢驗(yàn)檢測，螺紋段5個(gè)視場結(jié)果如下：

視場1：A類硫化物細(xì)系1.0級(jí)，B類氧化鋁細(xì)系0.5級(jí)，C類硅酸鹽粗系1.0級(jí)，D類球狀氧化物細(xì)系0.5級(jí)。

視場1：A類硫化物細(xì)系0.5級(jí)，B類氧化鋁細(xì)系0.5級(jí)，C類硅酸鹽粗系1.5級(jí)，D類球狀氧化物細(xì)系0.5級(jí)。

視場1：A類硫化物細(xì)系1.0級(jí)，B類氧化鋁細(xì)系0.5級(jí)，C類硅酸鹽細(xì)系2.0級(jí)，D類球狀氧化物細(xì)系0.5級(jí)。

視場1：A類硫化物細(xì)系0.5級(jí)，B類氧化鋁細(xì)系0.5級(jí)，C類硅酸鹽粗系1.5級(jí)，D類球狀氧化物細(xì)系1.0級(jí)。

視場1：A類硫化物細(xì)系1.0級(jí)，B類氧化鋁細(xì)系0.5級(jí)，C類硅酸鹽細(xì)系2.0級(jí)，D類球狀氧化物細(xì)系0.5級(jí)。

2.2.3 硬度分析

試驗(yàn)方法：GBT 4340.1-2009 《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》

通過對(duì)等強(qiáng)錨桿螺紋段分為：①等強(qiáng)錨桿螺紋段未變形區(qū)域，②等強(qiáng)錨桿螺紋段彎曲外側(cè)區(qū)域，③等強(qiáng)錨桿螺紋段彎曲內(nèi)側(cè)區(qū)域三個(gè)區(qū)域。用MHV-10Z維氏硬度計(jì)，5kg力值加壓15s試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）等強(qiáng)錨桿螺紋段未變形區(qū)域3點(diǎn)硬度為258HV5/15,253HV5/15,257HV5/15。

（2）等強(qiáng)錨桿螺紋段彎曲外弧區(qū)域3點(diǎn)硬度為303HV5/15,296HV5/15,308HV5/15。

（3）等強(qiáng)錨桿螺紋段彎曲內(nèi)弧區(qū)域3點(diǎn)硬度為315HV5/15,317HV5/15,312HV5/15。

3 綜合分析

（1）從錨桿的力學(xué)性能看出等強(qiáng)錨桿加工前后對(duì)拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能變化并不明顯，拉伸斷口斷裂在正常桿體上，屈服、抗拉及斷后伸長率沒有明顯的變化。

（2）彎曲試驗(yàn)使用三點(diǎn)法彎曲，采用4d彎芯進(jìn)行彎曲。從彎曲性能看出等強(qiáng)錨桿母材在彎曲完好的情況下，部分加工縮頸滾絲樣品螺紋段牙口根部處彎曲出現(xiàn)發(fā)紋、裂紋和裂縫等現(xiàn)象。在使用過程中等強(qiáng)錨桿螺紋段地下受到剪切力變形，螺紋段牙口根部如果出現(xiàn)裂紋將成為整個(gè)等強(qiáng)錨桿受力大小的薄弱點(diǎn)。

（3）從圖2等強(qiáng)錨桿縮頸滾絲螺紋牙口根部光滑，并沒有裂紋的存在，螺紋牙口根部部分組織出現(xiàn)組織晶粒被壓縮拉長，變形區(qū)域的組織深度在167μm。從圖3、圖4可以看出螺紋牙口受彎曲張力產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生在變形區(qū)域的組織范圍內(nèi)，裂紋深度在244μm、長度在450μm；從圖5、圖6可以看出螺紋牙口受彎曲擠壓產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生在變形區(qū)域的組織范圍內(nèi)，裂紋深度在214μm、裂紋主要還是在組織變形區(qū)域；螺紋段牙口由于彎曲內(nèi)外弧均有裂紋產(chǎn)生，裂紋源集中極易放生斷裂。

（4）硬度檢測中正常區(qū)域組織硬度在維氏硬度253HV5/15-258HV5/15范圍內(nèi)，加工變形區(qū)域組織硬度在維氏硬度303HV5/15-315HV5/15范圍內(nèi)，硬度試驗(yàn)可以看出變形區(qū)域的組織明顯比未變形區(qū)域的組織維氏硬度高50-57HV5/15,有明顯的組織硬化現(xiàn)象；螺紋牙口的加工組織硬化有利于提高螺紋段的硬度，挺高螺紋段的承載力，板牙硬度提高使螺母更緊實(shí)，防止螺紋牙口硬度不夠打滑；但是螺紋段由于加工的硬化也造成了螺紋段的塑性降低，彎曲易產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。

（5）從夾雜物分析中，夾雜物種類、大小、分布情況可以看出，夾雜物多為硫化物類夾雜和硅酸鹽類塑性夾雜，分布均勻，彎曲產(chǎn)生裂紋處并沒有發(fā)現(xiàn)大塊的夾雜物。所以內(nèi)部夾雜物并不是引起此類裂紋的主要原因。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)母材和仿制施工用樣六組樣品的拉伸試驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)分析，等強(qiáng)錨桿桿體母材本身沒有問題，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）縮徑滾絲產(chǎn)生螺紋段加工硬化提高了螺紋硬度從而提高螺母的緊固能力，螺紋段的承載力。

（3）縮徑滾絲彎曲產(chǎn)生裂紋的存在是加工使組織變形硬化的位置，是桿體螺紋處受力斷裂的主因。

（4）在桿體加工過程中注意調(diào)整加工工藝，減少縮徑滾絲的部位的長度，可以減少應(yīng)力集中點(diǎn)，大大減輕斷裂的概率；等強(qiáng)錨桿加工完成后給予一定的時(shí)間使螺紋加工段加工應(yīng)力和組織變形應(yīng)力釋放，可以減少應(yīng)力過大降低變形能力，減輕斷裂的概率。

（5）等強(qiáng)錨桿在礦下支護(hù)中受礦體變形帶給桿體很大的剪切力，螺紋段還要固定支護(hù)網(wǎng)·托盤受到承載力，所以螺紋段的加工要考慮等強(qiáng)錨桿縮頸大小，螺紋加工深度。適當(dāng)?shù)淖冃渭纯梢蕴岣呗菁y段絲口的承載力，又可以滿足螺紋段塑性變形不產(chǎn)生裂紋。