1、首鋼600MPa級高強度錨桿用鋼沖擊性能和組織分析 摘要：主要研充在熱軋工藝下600MPa級高強度錨桿用鋼沖擊功和組織。通過系列沖擊試驗表明600MPa級高強度錨桿鋼具有良好的沖擊性能。室溫下沖擊功可達90J，該鋼韌脆性轉變溫度為-30。該鋼邊部和芯部組織均為珠光體鐵素體，組織細小、均勻；TEM觀察表明，珠光體中鐵素體上的析出相在起到沉淀強化的同時，滲碳體片層出現碎化、熔斷，一定程度上改善了鋼的強韌性。通過V-N復合微合金化的柔性軋制技術，充分發揮細晶強化和析出強化作用，能夠達到600MPa級高強錨桿鋼良好的強度、韌性配合。關鍵詞：高強度錨桿鋼；沖擊功；細晶強化；析出強化1、引言錨桿是錨固在煤

2、、巖體內維持圍巖穩定的桿狀物。錨桿支護是煤礦巷道首選的、安全性高的主要支護方式，與其它支護相比，它屬于一種主動支護形式，具有支護工藝簡單、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。隨著國家煤炭工業的迅速發展和開采規模的不斷擴大，煤炭安全生產已成為制約我國煤礦發展的突出問題之一，煤炭行業迫切期待更高強度級別的礦用支護錨桿。由于煤礦巷道支護用錨桿鋼在礦井下要承受巖層的錯層和位移帶來的巨大切應力，該產品要求很高強度的同時具有很好的延伸塑性和耐沖擊性能。目前，國內Rel520MPa，Rm800MPa高強錨桿鋼還是空白，錨桿鋼生產企業生產的錨桿鋼多為335MPa和400MPa級，也因沖擊功

3、不穩定而出現諸多問題。首鋼在國內首次利用低合金成本，采用一火成材熱軋開發出沖擊韌性優良、高安全性的低成本600MPa級高強度煤炭礦用巷道支護錨桿用鋼，成為國內唯一能生產該強度級別錨桿鋼的廠家，并實現了批量供貨。本文主要研究在熱軋工藝下600MPa級高強度錨桿用鋼沖擊韌性，優異的韌性性能，在減少斷桿尤其脆斷方面，對安全生產有著重要意義。2、生產技術條件2.1化學成分2.2力學性能2.3生產工藝采用V-N復合微合金化，開軋溫度控制在101050。在軋制中通過兩級控軋，細化晶粒；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行強制冷卻來保證高強度，最終實現“柔性軋制”，見圖1。3

4、、生產結果及分析3.1沖擊性能首鋼生產開發的600MPa級高強度錨桿用鋼，晶粒度在9.5-10級之間，其屈服強度可達到660MPa，抗拉強度達到880MPa，延伸率在20-25之間，滿足產品性能的要求。對高強錨桿鋼進行-60-20系列標準V型缺口沖擊試驗，試樣規格為101055mm，根據所得的數據繪出試樣沖擊功和溫度的曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，室溫條件下，SMG600高強度錨桿鋼沖擊功最高為90J(34D，且-20時沖擊功達到了65J，-40時沖擊功也達到了22J。如果按沖擊功降低常溫數值50來判定韌脆轉變溫度(DBTT)，則該鋼的韌脆性轉變溫度應該在-40-20之間，約為-30，表明

5、采用低成本V-N復合微合金化，通過控制鋼質純凈度和機間兩級控軋控冷的柔性軋制技術開發的600MPa級高強錨桿用鋼具有優異抗沖擊能力。3.2斷口分析將低溫沖擊后的試樣經酒精浸泡后迅速吹干，在掃描電鏡上對斷口形貌進行觀察，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著沖擊溫度的降低，試樣宏觀上表現為由韌性斷裂向脆性斷裂過渡，微觀斷裂機制則逐漸由韌窩斷裂轉變為解理斷裂，溫度降至-40時有明顯的脆斷傾向。-40時斷口呈現準解理的脆性特征，準解理斷口有明顯的撕裂棱，有放射狀花樣，并且起源于孔洞。此時接近解理斷裂。一20和室溫下試樣斷裂為韌性斷裂，韌斷機制是微孔聚合。韌窩是微孔長大的結果，韌窩內大多包含著一個夾雜物或第

6、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小，較均勻的彌散分布在金屬中，從而形成相對較多的細小韌窩，也說明了這種600MPa級高強錨桿鋼具有良好的沖擊性能。 3.3組織分析從圖4中可以看出，600MPa級高強錨桿鋼邊部和芯部顯微組織均為珠光體鐵素體，組織細小、且比較均勻，晶粒尺寸在10m左右。根據晶粒細化強化的Hall-Petch公式so十kyd-1/2，晶粒細化對屈服強度的貢獻與有效晶粒尺寸d的-1/2次方成正比，即晶粒越細小，強化效果越顯著。金相組織的晶粒大小對低溫脆性轉變溫度有一定的影響，晶粒尺寸減小，能提高沖擊韌性值

7、，并降低低溫脆性轉變溫度。一般理解為，晶粒細小時，晶界增多，而晶界能夠阻礙裂紋擴展；晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中；晶界總面積增加。則晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。對SMG600試樣進行TEM觀察分析，發現在試樣滲碳體片層間的鐵索體上有細小彌散的第二相析出粒子，EDS能譜分析認為是V、Ti的碳氮析出物，如圖5(a)、(b)、(d)、(e)，同時從圖5(c)中還可以看到，滲碳體片層出現了碎化、熔斷。晶粒細化能夠在提高強度的同時改善韌性，是最主要的強韌化方式；珠光體中鐵索體上的析出相在起到沉淀強化的同時，滲碳體片層出現碎化、熔斷，這也在一定程度上改善了鋼種的強韌性。通過V-

8、N微合金化細化晶粒和沉淀析出，充分發揮了細晶強化和沉淀強化兩種強化方式的作用，能夠達到600MPa級高強錨桿鋼良好的強度、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“晶體學單元”和由夏比V型缺口沖擊(CVN)試驗的裂紋擴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的最小裂紋反射角，發現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。關于該現象的解釋，文獻認為，在15時晶界能的主要來源是由于屏蔽效應所引起的靜電

9、能。不管大角度取向差引起晶界能變化原因何在，都可以看到當取向差接近15后，晶界能達到最大值，并且保持不變，因而在該晶界角度，晶界的阻力最大，也即當裂紋擴展到晶界取向差為15的晶界時，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，推斷高強錨桿鋼對材料韌性有貢獻的晶界取向差也應該是15的晶界，利用EBSD得到15晶界取向差的錨桿鋼有效晶粒數據。見表3。根據EBSD結果表明，在所分析的高強錨桿鋼中，15晶界的晶粒平均尺寸和金相顯微鏡的結果不同，這說明常規的金相晶粒度級別并不能準確表征高鋼級材料晶粒尺寸參數，實際上，高鋼級鋼種的強韌性和有效晶粒尺寸相關，更

10、高級別的鋼種其有效晶粒尺寸會更小，同時有效晶粒的細化也促使韌一脆轉變溫度的降低。4、結論(1)首鋼利用低合金成本，采用一火成材，通過控制鋼質純凈度、機間柔性軋制和軋后兩級控冷開發的600MPa級高強錨桿鋼，既具有較高的強度，又具有優異的韌性，提高了深層煤礦巷道的支護效果，為安全生產提供了更好的保障。(2)600MPa級高強度錨桿鋼具有良好的沖擊性能。在室溫下沖擊功可達90J，-40時沖擊功也有22J。該鋼脆性轉變溫度為-30。隨著沖擊溫度的降低，試樣表現為由韌性斷裂向脆性斷裂過渡，-40時斷口呈現準解理的脆性特征；-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小韌窩，也說明了該鋼具有良好的沖擊性能。(