热处理新型高强边坡支护锚杆的研发与性能研究

叶 飞

(安徽粮食工程职业学院 粮食工程系,安徽 合肥 230011)

0 引言

随着建设工程的规模不断扩大,深基坑支护要求越来越高。为确保深基坑施工的安全性[1-4],对支护锚杆的力学性能提出了新的更高要求。目前传统锚杆钢筋多采用热轧方式成型,存在抗拉强度、屈服强度较低等问题,采用微合金化和后续热处理等方法可以对锚杆钢筋的组织与性能进行调控[5-7],但是微合金化的方法存在生产成本高、后续回收较为困难等问题。采用后续淬火和回火的方法对锚杆钢筋进行组织与性能提升,可以在不添加合金元素的基础上,提升边坡支护用锚杆的使用性能。目前这方面的研究报道较少[8],具体淬火和回火温度等工艺参数对热轧锚杆组织与性能的影响规律也不清楚[9]。开展热处理工艺参数对热轧锚杆组织与性能影响方面的研究,有助于高性能、高可靠性边坡支护用锚杆钢筋的开发与应用。

1 材料与方法

边坡支护用锚杆钢筋的原料为直径22 mm的热轧16 Mn钢棒,采用光谱分析的方法测试其成分,结果如表1所示。

表1 边坡支护用锚杆的化学成分Table 1 Chemical components of slop anchor

在卡博莱特CWF 11/5型热处理炉中对热轧锚杆钢筋进行热处理,工艺为:先将热轧锚杆钢筋置于热处理炉中进行780～820 ℃、保温10 min的两相区奥氏体(A)化处理,油冷至室温后进行360～440 ℃、保温30 min的回火处理,水冷至室温。

截取相同部位的金相试样,磨抛和体积分数3.5%的硝酸酒精溶液腐蚀后使用BH200M型金相显微镜观察显微组织;室温拉伸性能测试按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,在GNT300型拉伸试验机上进行,拉伸速率控制在1 mm/min,拉伸试验结果取5组平行试样的平均值;布氏硬度使用HB-3000B型数显布氏硬度计进行测试,载荷750 kg,保持载荷时间为10 s.

2 试验结果与分析

2.1 淬火温度

图1为不同淬火温度下锚杆钢筋的金相组织。当淬火温度为780 ℃时,锚杆钢筋的组织主要由白色块状的铁素体(F)、晶界附近的A和黑灰色贝氏(B)体组织组成,此外,部分F晶内仍然可见细小A。随着淬火温度升高至790 ℃,锚杆钢筋中白色F逐渐减少,A含量逐渐增多,呈现出铁素体向残余A转变特征;当淬火温度升高至800 ℃时,锚杆钢筋中残余A含量进一步增多,但是当淬火温度进一步升高,相变诱发塑性效应会随着淬火温度升高而加剧,造成残余A稳定性有所降低而减小了残余A含量。整体而言,当淬火温度为800 ℃时,锚杆钢筋中残余A含量最多。

图1 不同淬火温度下锚杆钢筋的金相组织Fig.1 Metallographic structure of anchor bar at different quenching temperature

图2 不同淬火温度下锚杆钢筋的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of anchor bar at different quenching temperatures

图2为不同淬火温度下锚杆钢筋的拉伸性能。当淬火温度为780 ℃时,抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率分别为757 MPa、291 MPa、19.2%、29.4%;当淬火温度为800 ℃时,抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率分别为846 MPa、339 MPa、24.3%和33.4%;当淬火温度为820 ℃时,抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率分别为832 MPa、318 MPa、21.2%和36.0%.随着淬火温度从780 ℃升高至820 ℃,锚杆钢筋的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率都呈现先增加后减小的趋势(见图2).

图3为不同淬火温度下锚杆钢筋的综合力学性能,其中,综合力学性能为抗拉强度和断后伸长率的乘积(强塑积)[10]。随着锚杆钢筋淬火温度的升高,综合力学性能整体呈现先增加后减小特征,当淬火温度为800 ℃时取得最大值(见图3).

图4为不同淬火温度下锚杆钢筋的布氏硬度。当淬火温度为780 ℃、790 ℃、800 ℃、810 ℃和820 ℃时,锚杆钢筋的布氏硬度分别为234 HBS、248 HBS、249 HBS、273 HBS和284 HBS,即锚杆钢筋的布氏硬度随着淬火温度升高而逐渐增大。

图3 不同淬火温度下锚杆钢筋的综合力学性能Fig.3 Comprehensive mechanical properties of anchor bar at different quenching temperatures

图4 不同淬火温度下锚杆钢筋的布氏硬度Fig.4 Brinell hardness of anchor bar at different quenching temperature

从淬火温度对锚杆钢筋组织与力学性能的影响上来看,锚杆钢筋在淬火温度为800 ℃时取得综合力学性能最大值,此时锚杆钢筋具有较高的硬度和塑性,这主要与此时锚杆钢筋具有F+B+A组织有关,且此时A含量最高。

2.2 回火温度

设定淬火温度800 ℃不变,进一步对锚杆钢筋进行回火热处理,不同回火温度下锚杆钢筋的金相组织如图5.经过低温回火处理后,锚杆钢筋的金相组织仍然为三相组织,即F、B和残余A,但是B含量明显增多。对比回火温度360 ℃、380 ℃、420 ℃和440 ℃的金相组织可知,回火温度为380 ℃时锚杆钢筋中B含量最多,这主要是因为此时B孕育相对较好,锚杆钢筋中C元素向残余A聚集的驱动力最大。

图5 不同回火温度下锚杆钢筋的金相组织Fig.5 Metallographic structure of anchor bar at different tempering temperature

图6为不同回火温度下锚杆钢筋的拉伸性能。可见,随着回火温度的升高,锚杆钢筋的抗拉强度先增加后减小,断后伸长率也呈现先增加后减小的趋势。在回火温度为380 ℃时取得抗拉强度和断后伸长率最大值,为最佳的回火温度。

图7为不同回火温度下锚杆钢筋的布氏硬度测试结果。随着回火温度从360 ℃增加至440 ℃,锚杆钢筋的布氏硬度先增加后减小,在回火温度为380 ℃时取得布氏硬度最大值。布氏硬度随着回火温度的变化趋势与抗拉强度、断后伸长率随回火温度的变化趋势相同,即布氏硬度和抗拉强度呈正相关性[11]。

图6 不同回火温度下锚杆钢筋的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of anchor bars at different tempering temperatures

图7 不同回火温度下锚杆钢筋的布氏硬度Fig.7 Brinell hardness of anchor bar at different tempering temperature

3 结论

1)当淬火温度为780 ℃时,锚杆钢筋的组织主要由白色块状的F、晶界附近的A和黑灰色B组织组成;随着淬火温度升高至790 ℃,锚杆钢筋中白色F逐渐减少,A含量逐渐增多,呈现出F向残余A转变特征;当淬火温度升高至800 ℃时,锚杆钢筋中残余奥氏体含量最多。

2)随着淬火温度从780 ℃升高至820 ℃,锚杆钢筋的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率都呈现先增加后减小的趋势,当淬火温度为800 ℃时取得综合性能最大值;锚杆钢筋的布氏硬度随着淬火温度升高而逐渐增大。

3)随着回火温度的升高,锚杆钢筋的抗拉强度先增加后减小,断后伸长率也呈现先增加后减小的趋势,在回火温度为380 ℃时取得抗拉强度和断后伸长率最大值,为最佳的回火温度。

4)在制作热处理高强锚杆时,淬火温度控制在800 ℃时其综合性能最佳,且布氏硬度随着淬火温度升高而逐渐增大,在回火温度控制在380 ℃时抗拉强度和断后伸长率最大值,即为最佳的回火温度。