螺紋鋼等強錨桿桿體螺紋段裂紋分析

劉 帥，郭曉勇

（山西建邦集團有限公司，山西 臨汾 043400）

隨著國家對煤礦開采的安全越來越重視，螺紋鋼等強錨桿作為我國現階段廣泛用于煤巷、半煤巷支護，對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，目前已形成335MPa、400MPa、500MPa、600MPa強度級別的系列產品，成為全國重要的錨桿生產基地之一。針對在等強錨桿在使用過程中偶爾會出現性能指標符合要求，但在桿體螺紋段牙口受彎曲模擬地下剪切力實驗出現裂紋、裂縫乃至脆斷的現象。我公司內部從鋼筋力學性能、金相檢驗、斷口形貌、螺紋加工方式等方面，分析錨桿鋼筋螺紋發生此類現象的原因。

1 樣品準備如下

從公司樣品存樣處取6支樣品進行分析，樣品編號如下：

A1：正常等強錨桿，鋼筋母材規格20mm, 450mm長，2支。

A2：正常等強錨桿，鋼筋母材規格20mm，450mm長，2支。

A3：正常等強錨桿，鋼筋母材規格20mm，450mm長，2支。

A4：等強錨桿一段縮頸滾絲，鋼筋母材規格20mm，滾絲長度150mm，450mm長，2支。

A5：等強錨桿一段縮頸滾絲，鋼筋母材規格20mm，滾絲長度150mm，450mm長，2支。

A6：等強錨桿一段縮頸滾絲，鋼筋母材規格20mm，滾絲長度150mm，450mm長，2支。

2 試驗分析

2.1 拉伸實驗，彎曲實驗

2.1.1 拉伸實驗實驗

實驗方法：YB/T4364-2014《錨桿用熱軋帶肋鋼筋》檢驗，A1～A6樣品各1支實驗，結果如下：

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。

試驗方法：GB/T232-2010《金屬材料 彎曲試驗方法》檢驗，采取三點彎曲方法4d彎芯，A1～A3不指定頂點位置，A4～A6頂點盡量在縮頸滾絲處，結果如下：

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，縮頸滾絲后的等強錨桿用三點彎曲法彎曲螺紋牙口外弧根部出現明顯的發紋，裂紋，裂縫等現象，彎曲螺紋牙口內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，變形組織區域深度167μm；沒有變形的區域組織為鐵素體+珠光體組織，為正常組織。

從圖3金相觀察，滾絲后的等強錨桿螺紋牙口根部彎曲外弧出現長度330μm撕裂狀裂紋，滾絲后的等強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域內撕裂狀，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，滾絲后的等強錨桿螺紋牙口根部彎曲內弧出現長度214μm擠壓狀裂紋；滾絲后的等強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域內撕裂狀，深度為214μm。

2.2.2 夾雜物分析

實驗方法：GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法 》B法檢驗檢測，螺紋段5個視場結果如下：

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

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

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

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

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

2.2.3 硬度分析

試驗方法：GBT 4340.1-2009 《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》

通過對等強錨桿螺紋段分為：①等強錨桿螺紋段未變形區域，②等強錨桿螺紋段彎曲外側區域，③等強錨桿螺紋段彎曲內側區域三個區域。用MHV-10Z維氏硬度計，5kg力值加壓15s試驗，試驗結果如下：

（1）等強錨桿螺紋段未變形區域3點硬度為258HV5/15,253HV5/15,257HV5/15。

（2）等強錨桿螺紋段彎曲外弧區域3點硬度為303HV5/15,296HV5/15,308HV5/15。

（3）等強錨桿螺紋段彎曲內弧區域3點硬度為315HV5/15,317HV5/15,312HV5/15。

3 綜合分析

（1）從錨桿的力學性能看出等強錨桿加工前后對拉伸試驗的力學性能變化并不明顯，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）彎曲試驗使用三點法彎曲，采用4d彎芯進行彎曲。從彎曲性能看出等強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發紋、裂紋和裂縫等現象。在使用過程中等強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裂紋將成為整個等強錨桿受力大小的薄弱點。

（3）從圖2等強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組織晶粒被壓縮拉長，變形區域的組織深度在167μm。從圖3、圖4可以看出螺紋牙口受彎曲張力產生裂紋，裂紋產生在變形區域的組織范圍內，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生裂紋，裂紋產生在變形區域的組織范圍內，裂紋深度在214μm、裂紋主要還是在組織變形區域；螺紋段牙口由于彎曲內外弧均有裂紋產生，裂紋源集中極易放生斷裂。

（4）硬度檢測中正常區域組織硬度在維氏硬度253HV5/15-258HV5/15范圍內，加工變形區域組織硬度在維氏硬度303HV5/15-315HV5/15范圍內，硬度試驗可以看出變形區域的組織明顯比未變形區域的組織維氏硬度高50-57HV5/15,有明顯的組織硬化現象；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，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，彎曲易產生裂紋等現象。

（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，彎曲產生裂紋處并沒有發現大塊的夾雜物。所以內部夾雜物并不是引起此類裂紋的主要原因。

4 結論

（1）通過對母材和仿制施工用樣六組樣品的拉伸試驗、彎曲實驗分析，等強錨桿桿體母材本身沒有問題，符合國家標準要求。

（2）縮徑滾絲產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整加工工藝，減少縮徑滾絲的部位的長度，可以減少應力集中點，大大減輕斷裂的概率；等強錨桿加工完成后給予一定的時間使螺紋加工段加工應力和組織變形應力釋放，可以減少應力過大降低變形能力，減輕斷裂的概率。

（5）等強錨桿在礦下支護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網·托盤受到承載力，所以螺紋段的加工要考慮等強錨桿縮頸大小，螺紋加工深度。適當的變形即可以提高螺紋段絲口的承載力，又可以滿足螺紋段塑性變形不產生裂紋。