预埋槽道锚杆断裂失效分析

预埋槽道锚杆断裂失效分析

韩伟1张志东2

1.身份证号码：4110021981010120322.身份证号码：410782198511033978

摘要：预埋技术最初在核电工程中应用较多，后来逐渐在建筑幕墙、高速铁路隧道、桥梁、市政隧道与电力隧道、轨道交通等领域中使用。之后在武广高铁、郑西高铁、广深港高铁、合福高铁以及深圳地铁9号线中获得了成功的施工运营经验，从而开启了高速铁路隧道内接触网悬挂方案的成功模式。

预埋槽道技术是指在管片预制过程中将C型槽钢预埋在混凝土管片中，后期机电安装时通过T型螺栓将电缆、管线、设备等固定在盾构管片上，能大大减少对结构的破坏，节省安全时间。

预埋槽道是一种预先安装在隐蔽工程里的制件，可以对外部工程起到稳固的作用，它大部分是用金属制成，在结构里先留有钢板和锚杆，可以用来连接结构构件。槽道预埋有利于在衬砌表层内形成加强的整体线形结构，不是单点受力，而是均匀受力，保证接触网的受力及振动等不破坏隧道衬砌的整体性，同时能满足高速列车风动力对隧道安装设备及进入基础的强度要求，也能达到高速接触网的精细安装标准，预埋槽道与衬砌台车密贴，拆模后与衬砌表面平齐，外观圆顺美观。

以往的地铁工程施工中，基本上采用的是先混凝土浇注，形成隧道两侧混凝土墙壁及顶部后，再进行剔槽、打洞并安装桥架、管道、及线缆。这不仅造成人力、物力的极大浪费，而且管道、线路错落不齐、杂乱交织，为后期运营的管理与维护带来极大困难。采用预埋槽道技术，施工效率可提高三倍，同时也可节省后期维护费用。

通过对预埋槽道锚杆冷铆接后在后续工序加工、修整过程中，横向断裂出现产生的原因机理进行分析与验证，准确地找到了该问题产生的原因，对于在制品采用锚杆局部加热、并用热铆接工艺替换冷铆接工艺，可有效地剔除该类缺陷，保证产品质量。

关键词：横向断裂分析与验证 局部加热 工艺替换

引 言

在预埋槽道加工过程中采用铆接工艺进行锚杆与槽道进行连接时，一般会采用冷铆接方式和热铆接方式。通过对两种铆接方式铆接后的性能分析，可得出两种工艺的优劣性。

第1章 绪论

1.1概述

传统的地铁盾构区间内部设备安装过程中，需要在盾构管片上进行打孔、植筋，而后安装设备支架。此种做法不仅会对管片结构上带来一定的损害，而且在隧道内进行人工钻孔的人员效率会很低下，施式环境也会非常的恶劣，会严重影响施工人员的身体健康和安全。

国外的预埋槽道技术应用起始于20世纪30年代，国际上比较有知名度的有德国生产的哈芬槽道，目前已广泛应用于高铁隧道、桥梁、市政隧道和电力隧道、预装式地铁车站、建筑幕墙等领域，最近几年我们国家在高铁工程项目上也已引进了预埋槽道技术并成功应用于京沪、武广、郑西等高铁接触网工程上。国内地铁盾构管片预埋槽道于2013年在深圳地铁9号线开始试验使用，就此拉开了地铁盾构管片预埋槽道的应用序幕；2014年兰州地铁1号线一期工程全线采用盾构管片预埋槽道技术，国内众多城市轨道交通工程跃跃欲试。

1.1.1预埋槽道介绍

预埋槽道是便于安装且可调节的理想固定件，该预埋件使用T型螺栓或带齿螺栓及相配的螺母、垫圈，可以用来固定任何结构部件。

它是由一条C形槽钢和至少两个布置在槽钢背面的锚杆组成，具有热浸锌和不锈钢材质，槽钢内使用泡沫填充物或条形填充物能够防止混凝土进入槽钢内（如图1所示）。槽道预埋在混凝土中，表面与混凝土平齐。槽道有多种型号，它有一个防松动的设计止转垫片，将专用T型螺栓配合使用，既坚固方便，还可任意调节，是许多大型工程项目如地铁隧道、桥梁、机场等的首选坚固件。

1.1.2 预埋槽道技术的优势

1.混凝土预制件全部标准化，便于现场管理；

2.不存在破坏钢筋，损坏结构的风险；

3.无需钻孔，后期安装速度极快，节约工期；

4.整体结构完整；

5.后期营运维护方便、成本低；

6.受力模式相比于锚栓更为可靠；

7.安装效果不受工人施工技术和态度影响；

8.安装位置可以调整；可随意新增设备。

1.2 课题的提出

因为轨道交通预埋槽道C型钢为热轧，在冷却后会出现有弧弯侧弯的现象，而且在锚杆铆接完成后会因加工应力的影响下，预埋槽道的弯曲会更加明显。这时会对预埋槽道进行型材的矫正。

2018年8月1日，采用冷铆接工艺加工完成后的预埋槽道在使用预埋槽道矫正机进行矫正过程中发现，预埋槽道在滚弧矫正过程中，锚杆与预埋槽道矫正机接触时出现个别锚杆断裂的现象。

2018年12月2日，对新进的锚杆进行预埋槽道单锚杆静承载力检测。预埋槽道裸件的静承载力检测。承载力加载示意图见图2；一种是预埋于混凝土中的静承载力检测，承载力加载示意图见图3。试验时采用的是预埋槽道裸件的静承载力检测。使用的万能材料试验机进行，测力仪准确度不大于±1%。试验时的试验荷载均匀平稳地增加，没有冲击，1.5倍FL荷载下持续10秒，观察预埋槽道有无变形，继续施加荷载直到预埋槽道锚杆进行破坏，检测出预埋槽道锚杆的极限载荷。本次实验试品分别采用热铆接工艺和冷铆接工艺。热铆接工艺试品进行单锚杆静承载力检测时，极限载荷拉力测试值为31.4kN、30.5kN、31.6kN、32.0kN；冷铆接工艺试品进行单锚杆静承载力检测时，极限载荷拉力测试值为35.9kN、36.1kN。从试验数据来看，冷铆接工艺加工的预埋槽道锚杆极限载荷拉力值大于热铆接工艺加工的预埋槽道锚杆极限载荷拉力值，故本次批量加工预埋槽道时锚杆采用冷铆接工艺。但在喷涂工序过程中发现在对个别倾斜锚杆用套筒进行修正心及在进行产品喷涂挂件时出现了锚杆断裂失效。（见图4）

图2 预埋槽道裸件的静承载力加载示意图

图3 预埋于混凝土中的预埋槽道静承载力加载示意图

图4 预埋槽道锚杆断裂失效力图片

本为课题就是针对这一现象运用失效分析方法，分析断裂件的失效原因，提出预防措施及改进对策。

第2章预埋槽道锚杆失效形式及失效分析

2.1预埋槽道锚杆失效的类型

预埋槽道锚杆需要承受沿槽道锚杆轴线方向的拉伸承载力、垂直于槽道锚杆轴线方向的剪切承载力。当预埋槽道在服役过程中由于尺寸、形状或材料的组织发生发生变化而引起的预埋槽道锚杆不能圆满完成指定的功能时，称预埋槽道锚杆失效。一般情况下，出现以下三种情况，则认为该预埋机槽道锚杆失效。

1.完全失去原有的功能；

2.仍然可用，但是不再能够良好地执行其原定的功能；

3.严重的损伤，使其在继续使用中失去可靠性和安全性。

根据失效功能的情况，失效类型可分为过量变形、断裂和表面损伤等三种形式。导致失效的主要原因有：力、时间、温度、工作环境的影响。失效的部位分为整体型和表面型。整体型为在应力的作用下使预埋槽道锚杆分成两个或几个部分而完全断裂的现象；表面型为仅仅是在预埋槽道锚杆的表面或内部存在缺陷（如裂纹）而没有完全断裂的现象。

本课题中所涉及的预埋槽道锚杆的失效类型属于整体型的断裂失效。

2.1.1过量变形失效

过量变形失效是指预埋槽锚杆在使用过程中由于载荷的作用，产生超过设计规定的变形，导致预埋槽道锚杆失去应有的功能不能正常使用或影响预埋槽道的正常使用。过量变形失效可分为由于预埋槽道锚杆刚度不足或因温度升高引起的弹性模量降低而造成的弹性变形失效和由于外加应力超过预埋槽道锚杆的屈服极限而造成的塑性变形失效两种。

2.1.2断裂失效

根据预埋槽道完全断裂前的宏观变形量，断裂可分为两大类：延性断裂和脆性断裂。脆性断裂包括疲劳断裂、应力腐蚀断裂、氢脆和静载延滞断裂。但疲劳断裂和静载延滞断裂与一般断裂又不尽相同，因此可将疲劳断裂和静载延断裂从脆性断裂中独立出来。这样，断裂失效可分为四种类型：

1. 延性断裂失效：延性断裂失效是指在断裂前金属在过载负荷的作用下，宏观上局部发生显著的塑性变形的断裂。

2. 脆性断裂失效：脆性断裂失效是指断裂前宏观上几乎没有明显塑性变形，

但在微观（电镜）下可观察到局部塑性变形的断裂。

3. 疲劳断裂失效：疲劳断裂失效是指零件在交变载荷作用下产生的断裂。在断裂失效中，疲劳断裂占有很大比例。根据载荷、变形的不同，疲劳断裂又

可分为高周疲劳断裂、低周疲劳断裂、接触疲劳断裂、腐蚀疲劳断裂和热疲

劳断裂等类型。

4. 静载延滞断裂失效：静载延滞断裂失效是指零件在静载荷条件下，由于环 境（如温度、腐蚀、辐射等）的联合作用下而引起的一种与时间有关的低应力脆性断裂失效，如应力腐蚀断裂、氢脆、蠕变断裂等。

2.1.3表面损伤失效

零件的表面损伤失效可由腐蚀和磨损而引起。腐蚀是指零件表面在周围环境介质的作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而引起的破坏。磨损则是指零件表面在互相接触的状态下运动，因摩擦等因素引起的金属小颗粒逐渐从表面脱落的一种破坏现象。

2.1.4断裂失效分析的重要性

断裂是工程结构中最主要的，也是最具危险性的失效行为，尤其是脆性断裂，一般都是在毫无觉察的情况下突然发生的，由于事先没有任何明显的征兆，往往会带来巨大的经济损失，甚至会造成严重的人身伤亡事故。因此对零件进行失效分析，找出引起失效的主要原因，研究失效的机理，制订改进、预防措施，提高产品的可靠性、安全性，减少或避免同类失效事故的再度发生，一直是我们科技人员追求的目标，同时也是企业在日趋激烈的市场竞争中提高产品质量的重要手段。所以，对断裂件进行失效分析，具有十分重要的社会效益和经济效益。

2.2失效分析的程序及思路

由于构件的失效，轻则必须经常更换零件，重则导致严重的事故，造成经济损失和人员的伤亡，研发计划人员不得不对各种失效形式进行研究分析，探索失效的规律与特点，以确定失效的原因，提出防止失效的措施。本课题就是针对预埋槽道锚杆的断裂失效展开分析，并提出对策。

2.2.1失效分析的程序

工程建筑零部件在不同服役条件下失效的性质不同，分析顺序也有所变动，但失效研究和分析的基本步骤一般包括：现场调查；初步分析；检测试验；查清失效原因；综合分析等四个阶段。

1．现场调查

详细调查破坏现场，了解与失效有关的背景资料（包括零件的设计说明书、图纸、加工工艺、服役史、周围环境、操作记录等）和失效经过，收集断口试样，并搜集国内外有关资料。

2．初步分析

直观检查失效零件，观察整套设备装置或整个部件，了解周围环境和失效装置各部件间的作用，找出失效对象的关键部位——主断口，初步确定失效的性质、类型，以及可能的影响因素。

3．检验测试，查明失效原因

采用实验室技术，对失效件作进一步检查，为明确失效的性质、类型、引起失效的原因提供充分的证据。根据本课题预埋槽道断裂件的实际情况，选用了如下的一些检测手段：

1　断口分析

断口分析是对具有断口失效零件进行失效分析的主要手段。

1. 宏观断口分析：用肉眼或用放大50倍以内的放大镜进行观察，通过宏观断口分析，进一步确定主断口，判断预埋槽道锚杆断裂类型和方式，找出裂纹萌生源和裂纹扩展方向，为其他分析作好准备。

2. 微观断口分析：利用扫描电镜，观察断口的微观断裂机理。

2　材质检验

对预埋槽道锚杆进行化学成份分析或低倍热蚀检验，查明断裂件采用的原材料与原设计所要求的是否相符。

3　金相检验

判断失效零件组织是否正常，特别是裂纹源区裂纹周围组织状态的变化，以确定热处理工艺是否合适。

4　机械性能的测定

通过测定断裂件的硬度指标、拉伸性能及冲击韧性指标，判定失效件的实际机械性能是否符合设计要求。

5　应力分析

对预埋槽道锚杆进行受力分析，计算其所受应力的大小，并进行强度校核。

4．综合分析

根据以上的调查分析，确定预埋槽道锚杆损坏的机理，判明失效原因，并进行归纳总结，提出克服失效的措施，得出结论并写出分析报告。

2.2.1失效分析的程序

对机械零件及机械系统的失效分析思路，可归纳为三种类型，见图1-3.

由图中可以看出，失效分析的方法有很多种，这里仅选择两种比较常用的断口分析法和特征—因素分析法，特征—因素分析法也就是人们通常所说的“鱼刺图”分析法。

在“鱼刺图”中，用水平粗箭头作为脊骨，表示失效的特征，再把可能是导致失效的原因分成几类，把它们作为大骨，用斜箭头分别画在图上与脊骨相衔接。然后针对每个大骨考虑可能成为引起失效的原因作为中骨，用箭头画在图上，与大骨相衔接，再进一步针对每个中骨把认为可能成为失效原因的各种因素作为小骨，同样用箭头画在图上与中骨衔接。这样，“鱼刺图”就画成了。

引起零件失效的因素是多方面的，通常与零件的受力状况、工作环境、设计与制造、安装、使用及维修等有关。图1-4为预埋槽道锚杆断裂失效分析的特征—因素图，分别从设计、材料、加工等几个方面考虑，根据检验测试分析结果，去除不存在的因素，留下来的就是引起预埋槽道锚杆断裂失效的原因。

图1-4 螺栓断裂的“鱼刺图”

Figure1-4 Fish-Bone Sketch of Bolt Fracture

2.3小结

1. 预埋槽道预埋件是由事根热轧成型工艺生产的C型带弧度的槽钢（内有防震齿槽）和布置在槽钢背面的锚杆组成。在管片生产时将滑槽预埋在其中，盾构机将管片连接、安装好后，再通过配套的T型防坠落螺栓固定与之连接的管线、桥架等结构件。

2. 预埋槽道锚杆与管片存在氢脆性，就会导致因外力负载受力的情况下槽道从管片中脱出，出现连接不牢固，造成严重的后果。

3. 预埋槽道锚杆属于机械失效。机械失效分析方法拟选用特征要因图法。失效分析可通过调查研究、检验测试和事后处理三个阶段进行。

第3章预埋槽道的技术要求

地铁盾构管片预埋槽道因应用环境与施工技术不同，有别于其他项目对预埋槽道的相关要求。地铁盾构管片预制工程，从预埋槽道的疲劳、抗拔、抗剪方面进行力学性能研究；从耐火、绝缘、防腐、抗碱方面进行物理性能研究；从槽道的固定、槽口的保护进行施工固定技术研究。预埋槽道作为一项新技术，在深圳地铁第二期、第三期施工中得到全面应用推广。预埋槽道代替传统施工在隧道墙壁上打孔技术，为隧道内电气设备、管线提供安装基础，大大加快设备及管线安装施工进度，并能够环保、无污染、无噪音施工。

3.1工程概况

深圳地铁8号线8133标望基湖停车场及出入线综合工程包括停车场、出入线隧道、牵出线隧道、试车线隧道等结构物，望基湖停车场出场线隧道设计起点里程WCDKO+128.156，终点里程为WCDK2+808.588，全长2680.432米；入场线设计起点里程WRDKO+105.75，终点里程为WRDK2+201.614，全长2095.864米，牵出线隧道设计起点里程QCO+77.489，终点里程为QCO+245.089，隧道全长167.6米；隧道结构施工中设计预埋槽道，通过采用定制绝缘预埋件与衬砌钢筋连接，将预埋槽道放入预埋件中，达到预埋槽道施工效果。

3.2预埋槽道应用

3.2.1预埋槽道技术要求

我国地铁盾构管片尺寸主要有26mm*30mm，20mm*30mm（高*宽）2种型号。其中26mm*30mm型号的槽道预埋应用于1500mm宽盾构管片；20mm*30mm型号的槽道预埋应用于1200mm宽盾构管片。

预埋槽道的加工工艺是一次热轧成型的，预埋槽道槽口设计有平槽和燕尾槽2种，热轧带齿槽道及锚杆材质一般采用低碳高合金钢，强度不低于Q235，其化学成分满足碳素结构钢的要求。工程预埋槽道设计保证具有足够的耐久性，安全等级按一级考虑，使用寿命100年。

3.2.1.1力学性能要求

1. 疲劳

盾构管片预埋槽道应满足：无预埋在混凝土时，疲劳100万次；预埋在混凝土时，疲劳300万次，且满足疲劳频率1~3Hz，波形为正弦波，荷载基准及幅值为（10±3）kN。

2. 抗拔、抗剪

预埋槽道轴向力、剪切力的工作荷载为10kN，设计荷载为14kN。预埋槽道在拉力、轴力为30kN时预埋槽道不发生屈服变形。

T型螺栓必须满足一定的刚度需要，在设计拉压承载力作用下，其变形要求不大于1.0mm。

3.2.1.2物理性能要求

1. 耐火性

确保盾构管片预埋槽道在火灾环境下继续工作不失效，必须进行耐火试验。根据《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》，预埋槽道在火烧环境下，耐火承载力0.8kN且满足RABZTV标准温度曲线1200℃，120min内耐火承载力不丧失。

2. 绝缘性

由于预埋槽道的外弧面裸露在隧道内，槽道的表层极易聚集杂散电流从而被电化腐蚀，因此槽道表层需喷涂绝缘层以防止被电化腐蚀，同时防止槽道在预埋时与管片钢筋骨架接触，导致隧道内的杂散电流导入到管片钢筋中，造成管片钢筋电化腐蚀，影响其使用寿命。

槽道的绝缘层喷涂需均匀，厚度不小于0.5mm，绝缘检测合格。绝缘检测点每1m设置1个（不足1m按照1m计），一环地铁管片（直径6m）槽道的绝缘检测点不少于64个，50环一个抽检频次。

3. 防腐性

盾构隧道环境潮湿，金属很容易受到腐蚀，从而影响使用寿命。所以，预埋槽道在设计时，重点考虑防腐处理。国内槽道的防腐采用锌、铝和锰元素组成的多元合金共渗处理，防止潮湿环境的腐蚀，比传统（热浸锌）防腐措施更耐高温、无氢脆、结合力好、更加环保。地铁盾构管片预埋槽道多元合金共渗层厚50um。其厚度需要电镜检验并需按GB/T1732—1993要求进行冲击试验，重锤由50cm高度落下，涂层完好。

4. 抗碱性

管片预埋槽道采用锌、铝和锰元素组成的多元合金共渗处理防腐，绝缘层属于酸性材料（R-H），混凝土混合物属于碱性材料。绝缘层在碱性环境下软化失效；锌、铝元素在碱性环境发生反应释放出氢氧。盾构管片在50℃下蒸汽养护4~6h，更会加剧化学反应，槽道的绝缘层、防腐层遭到不同程度的破坏，使其作用弱化甚至失效。槽道多元合金共渗层中锌、铝元素与混凝土反应释放的氢氧会在混凝土内形成气体空腔或通道。对混凝土的密实性和抗渗能力造成影响。

为了阻止预埋槽道的表面处理层与混凝土中的碱反应，在槽道的表面再加喷一层中性环氧树脂作为隔离层，以隔离绝缘层和多元合金共渗层与混凝土发生反应。在槽疲乏预埋前进行抗碱性浸泡试验，以便检查槽道的抗碱性能。

3.2.1.3固定技术要求

1. 槽道的固定

预埋槽道在管片钢筋骨架安装前，预先固定在管片模具的底部，槽疲乏的母体上有预留空洞，一次性使用的塑料螺栓穿过槽道母体上预留空洞与管片模具底部打好的螺栓孔拧紧以固定槽道。管片模具开孔定位时要精准，以满足预埋槽道的固定能满足施工误差的要求。

预埋槽道嵌入施工误差允许值-5mm；单独槽道倾斜施工误差允许值为-3mm；槽道垂直方向预埋施工每米误差为±5mm；槽道水平方向排列预埋端部横向对齐施工误差±10mm，其间距误差±30mm。

2. 槽口保护

预埋槽道口内应使用饱满、形状规则的珍珠棉进行填充处理，保证施工过程中混凝土不渗入到槽口内。

3. 管片混凝土浇筑注意事项

管处混凝土浇筑时，采用管片模具自带的整体振捣方式，可不用人工看护预埋槽道。若采用人工振捣方式，混凝土振捣期间必须由专人看护，防止碰撞预埋槽道从而影响预埋的精度。

第4章预埋槽道锚杆断裂失效原因分析

4.1预埋槽道锚杆原材料分析

断裂锚杆的标称材料为20Cr，规格为Φ9mm*97/95mm，锚杆图纸性能要求见表1，该规格锚杆用于地铁型30/20预埋槽道。

4.1.1宏观分析

断裂锚杆的整体宏观形貌见图1，可见锚杆断裂位置为台阶下端根部，此处为应力集中位置。锚杆断口的整体宏观形貌见图2。新鲜断口上未见明显异物，断口较为平整，没有明显的塑性变形上存在明显的扩展条纹，扩展条纹的收敛处为起裂源，扩展条纹最终发散方向附近存在断裂台阶，该处为最后断裂区。图3为起裂源区局部放大形貌，可见裂纹源位于锚杆台阶边缘，裂纹呈扇形由外向内扩展。

图1 断裂锚杆宏观形貌

图2 锚杆断口宏观形貌 图3 起裂源区局部放大形貌

4.1.2化学成分分析

在断裂锚杆上截取光谱试样，经清洁、打磨后采用光电直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。可见断裂锚杆的各元素含量，除了个别碳元素含量偏低外，其它元素均符合GB/T3077-2015《合金结构钢》对20Cr钢成分的技术要求。

4.1.3金相分析

1. 横截面金相分析：

在锚杆断口附近截取横截面试样，经镶嵌、打磨、抛光、4%（体积分数）硝酸酒精溶液化学侵蚀后在显微镜下观察。试样显微组织形貌见图4，为珠光体+铁素体，未见明显异常。

a）200×b）200×

图4 断裂锚杆横截面试样显微组织形貌

2. 纵截面金相分析：

在锚杆台阶下端根部断口起裂源区截取纵截面试样，经镶嵌、打磨、抛光、4%硝酸酒精溶液化学侵蚀后进行显微组织观察。由图5可见，断裂锚杆纵截面晶粒明显被拉长。

200×

图5 纵截面试样显微组织形貌

4.1.4硬度测试：

1. 自检结果

在锚杆断口附近取横截面试样，经打磨、抛光后进行维氏硬度试验，试验贯穿试样整个横截面，结果见表2。可见锚杆整个横截面硬度分布比较均匀，未出现明显较大波动。

2. 第三方硬度测试结果

2018年8月，第三方洛氏硬度检测结果和维氏硬度测试结果分别见表3、表4。

4.1.5断后延伸率测试：

对断裂锚杆进行车床加工成哑铃状，对锚杆的断后延伸率进行测量。测量前后锚杆形貌见图6，测量数据见表5。

a）试验前 b）试验后

图6 测量前后锚杆样件形貌

4.1.6综合分析：

1. Φ9*95/97锚杆加工过程：

与锚杆供应商沟通，规格Φ9*95/97的锚杆的加工步骤为：

Φ10盘条 退火 冷拉至Φ9 冷镦端盖 冷镦台阶

2. 锚杆到公司后通过冷旋铆至成品，见图7。

图7 冷旋铆接过程图

Φ9*95/97锚杆的从盘条到锚杆与槽道冷旋铆接成预埋槽道的过程是冷变形（塑性变形）的过程，在整个塑性变形过程中会产生冷作硬化（加工硬化），就是在塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。原因就是金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力（加工应力）。横、纵向晶粒形貌见图8。加工硬化后的锚杆会给进一步冷加工带来困难。

a）横截面晶粒形貌（200×） b）拉长、破碎和纤维化纵向晶粒形貌（200×）

图8 横、纵向晶粒形貌

Φ9*95锚杆冷铆接过程为在自身残余应力比较大的情况下，在常温下进一步进行冷变形（塑性变形），在塑性变形时晶粒产生滑移，滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸长和破碎，金属内部再次产生残余应力。

图9 铆接后应力集中区

可见，冷旋铆接后，锚杆台阶下根部为内应力最大的区域。

4.1.7结论：

本批锚杆断裂的原因为：

1. 在经过冷拉拔、冷镦两次冷变形后，锚杆内部产生了较大残余应力（加工应力），且塑韧性下降，当再次进行冷铆接变形，使得锚杆台阶下根部存在较大的内应力。

2. 锚杆台阶处为应力集中敏感区，且台阶处R角过小，加剧了应力集中。

3. 入厂锚杆的硬度来源于冷作硬化（冷变形），只进行了硬度测试，忽略了塑韧性指标。

4. 铆接机工作时振动明显、摆幅比较大。

5. 冲孔挤包模具和铆接模具不匹配，导致锚杆受力方式不正确。

锚杆在受到横向剪力时，在剪力与应力的共同作用下，于内应力最大的锚杆台阶下根部处起裂，裂纹由外向内扩展，最终造成一次性断裂。

本批锚杆热铆拉力不合格的原因：

该锚杆的硬度为冷作硬化（冷变形）所得，同时产生了较大的内应力。

锚杆加热消除了部分内应力，且部分组织得到改善，提升了部分塑韧性。

第5章改进方案

5.1实验证明：

为了改善锚杆的塑韧性，消除锚杆内应力。对同批锚杆进行了不同加工方式的实验来验证其金相组织的变化。试样3件：1件采用加工方式为冷铆接；1件采用加工方式为冷铆接后对锚杆应力集中处进行感应加热处理；1件采用加工方式为热铆接。见图10

01冷铆接 02冷铆接+加热 03热铆接

图10 实验样件

5.1.1金相分析：

在锚杆应力集中区截取横截面试样，经镶嵌、打磨、抛光、4%（体积分数）硝酸酒精溶液化学侵蚀后在显微镜下观察。

a）200×

01冷铆接后锚杆应力集中区横截面试样显微组织形貌

a）200×

02冷铆接加热后锚杆应力集中区横截面试样显微组织形貌

a）200×

03热铆接后锚杆应力集中区横截面试样显微组织形貌

根据实验证明在制品使用冷铆接加工工艺的槽道产品可以通过对锚杆应力集中区进行高温加热改善其塑、韧性。

5.2返修方案跟踪情况：

镀锌后30/20槽道返修试验方案为采用焊枪对锚杆台阶处进行横向加热，在保证力学性能的同时，最大程度地减小锌的烧失面积。

图 11 抛丸后效果图

图 12 返修后槽内效果图

图 13 锚杆横向冲击效果图

在铆接处侧面取样，进行锌层厚度测量，测量结果显示锌层厚度不低于100微米。

图 14 锌层厚度测量结果

单锚杆拉力测试结果：

图 15 锚杆失效形态

5.2.1成品30/20槽道（喷涂完成）返修试验方案为：成品槽道先进行抛丸处理，然后按镀锌后30/20槽道返修方案执行。

抛丸前图片 抛丸后图片

图16 抛丸效果图

图17 返修成品图

5.3 工艺代替：

可有热铆接加工工艺代替冷铆接加工工艺。

参考文献

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