45钢中空锚杆体工艺与性能研究

摘要

锚杆支护技术因其具有高强度和高刚度已成功运用于矿山巷道、铁路隧道及边坡整治等工程。近年来，我国锚杆支护技术日趋成熟的同时，中空锚杆体作为锚杆支护系统的重要安全部件之一引起众多企业家的投资热潮，促进国家经济发展的同时也凸显出一些安全问题。如生产技术不规范导致中空锚杆体力学性能不稳定，甚至有些中空锚杆体力学性能不达标，一旦在质量检测中未查出便可能造成严重后果。此外，由于影响中空锚杆体综合力学性能的因素较多，出现力学性能不合格情况时技术人员往往不能及时找出原因并采取适当改进措施。
　　 为解决上述问题，本课题以合作单位实际情况为依托，以铁道部于2008年颁布的中空锚杆技术条件要求为指标，采用45钢制备中空锚杆体，采用德国BrukerQ4170直读光谱仪、德国LeicaDM4000M显微镜、液压式万能试验机、抛光机、金相切割机、箱式电阻炉、激光测温仪、锚杆成形机等实验设备，结合正交试验法、回归分析法等数学方法，分别从化学成分、冷加工变形量、热加工工艺、预先热处理工艺和最终热处理工艺五个方面研究了45钢中空锚杆体综合力学性能（屈服强度、抗拉强度、最大力/屈服力、延伸率）的影响因素及影响规律。
　　 研究发现:
　　 1、45钢可替代Q345用于制备中空锚杆体，保证力学性能的基础上节约成本。
　　 2、化学成分中碳元素含量对45钢中空锚杆体综合力学性能影响最为显著。在45钢化学成分国标范围内碳含量越高锚杆体的抗拉强度和屈服强度越大，最大力/屈服力与伸长率越小;45钢原材料碳含量不大于(0.45±0.005)％，制备的中空锚杆体力学性能才能满足使用要求;45钢中空锚杆体的各项力学性能指标与碳含量存在非线性函数关系。
　　 3、冷轧阶段，冷轧变形量增大45钢中空锚杆体抗拉强度和屈服强度增大，延伸率减小，轧制变形量大于(60±0.5)％延伸率不合格。
　　 4、热加工阶段，锚杆体的抗拉强度和屈服强度随热加工加热温度升高而增大，随冷却水流量增大而增大;最大力/屈服力随热加工加热温度升高先增大后减小，随冷却水流量变化不大;延伸率随热加工温度升高略有下降，随水流量增大略有降低。其中加热温度在760～820℃范围内，锚杆体综合力学性能满足要求。
　　 5、预先热处理采用正火工艺，正火加热温度和正火冷却速度是影响材料性能的主要因素，正火加热温度在830～850℃，冷却方法选择空冷和风冷得到的45钢中空锚杆体力学性能均满足技术条件要求。考虑提高产品合格率、节约生产成本和减少生产周期，以加热温度835～845℃，保温10min，风冷为最优工艺。
　　 6、最终热处理采用调质工艺，回火加热温度和保温时间是影响材料性能的主要因素，回火温度630～690℃，保温时间40～60min锚杆体综合力学性能达标。考虑节约生产成本和减少生产周期，以加热温度630～650℃，保温40min为最优工艺。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 中空锚杆体的特点及应用

1．1．2 中空锚杆体力学性能要求

1．1．3 45钢在中空锚杆体上的应用

1．2 课题研究意义

1．3 力学性能研究现状综述

1．3．1 材料力学性能概述

1．3．2 抗拉强度和屈服强度的影响因素及调控方法综述

1．3．4 伸长率的影响因素

1．4 课题研究内容

2 实验材料、设备与方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．3 试验方法

2．3．1 正交试验设计方法

2．3．2 回归分析法

2．3．3 化学成分测定

2．3．4 显微组织检测

2．3．5 变形量测定

2．3．6 力学性能测试

2．4 本章小结

3 化学成分对45钢中空锚杆体力学性能影响

3．1 化学成分中各元素作用

3．2 化学成分对45钢中空锚杆体力学性能的影响

3．3 本章小结

4 塑性变形对45钢中空锚杆体力学性能的影响

4．1 塑性变形概述

4．2 冷加工变形量对45钢中空锚杆体力学性能的影响

4．3 热加工工艺对45钢中空锚杆体力学性能的影响

4．4 本章小结

5 热处理工艺对45钢中空锚杆体力学性能的影响

5．1 热处理试验设计

5．2 预先热处理工艺对45钢中空锚杆体力学性能的影响

5．2．1 正火工艺概述

5．2．2 正火工艺正交试验设计

5．2．3 正火温度对力学性能的影响

5．2．4 冷却方式对力学性能的影响

5．2．5 正火工艺对中空锚杆体力学性能的影响

5．3 最终热处理工艺对45钢中空锚杆体力学性能的影响

5．3．1 调质工艺概述

5．3．2 调质工艺正交试验设计

5．3．3 回火温度对中空锚杆体力学性能的影响

5．3．4 回火保温时间对中空锚杆体力学性能的影响

5．3．5 回火工艺对中空锚杆体力学性能的影响

5．4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

在读期间发表论文

作者简历

致谢