锚杆“空腔式”开裂分析

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摘 要：通过对开裂锚杆进行分析，锚杆在滚丝过程中受力不均匀而在杆体内部形成三向拉应力状态，且拉应力峰值始终处于杆体中心区域，当杆体不圆度过大及丝滚间隙较小时拉应力就会超过材料的抗拉强度时就会造成中心裂纹，严重时造成"空腔式"破裂，材料的中心偏析与大型非金属夹杂物促进开裂了的发展。

关键词：锚杆 三向拉应力 抗拉强度 中心裂纹 空腔 促进

锚杆在使用前需要把表面横肋压平、滚丝后才能使用。有一批锚杆在滚丝时丝部出现开裂现象（图1）。为保证生产顺利进行，对开裂试样进行分析。

图1 开裂锚杆形貌

一、理化试验结果

1.化学成分

在断裂锚杆上随机切取试样进行成分化验，其结果如表1，符合企业内控标准。

表1 化学成分（%）

2.低倍检验

将锚杆劈裂部位横向剖开，其形状如图2，裂纹由中心向四周延伸，严重者中心部位形成“空腔”。

图2 开裂试样横截面形貌

3.金相检验

3.1试样显微组织为铁素体+珠光体，均为魏氏组织1.0级（图3），裂纹内及其附近无非金属夹杂物聚集现象，裂纹两侧无脱碳层，试样中心有碳偏析现象，显微组织为网状铁素体+珠光体（图4）。

图3 试样显微组织

图4 试样中心偏心组织

3.2非金属夹杂物（表2）

表2

注：1#B类粗系超长11μm×1970μm，2#B类粗系超尺寸：21μm×1100μm 超尺寸）

4.尺寸检查

经测量直径22的锚杆，压圆后锚杆尺寸为：21.70 mm、21.74 mm、22.00 mm，不圆度：0.3mm。

二、生产过程分析

螺纹滚丝的加工方式分为径向滚丝、切向滚丝和滚压头滚丝3种，大多数生产厂家多采用径向挤压的方式，其加工方式如图5所示，一轮固定旋转，一轮在径向进给过程中作同向旋转，工件在滚丝轮带动下旋转，表面受成型挤压形成螺纹，其受力如图6所示。在滚丝过程中，杆体受到丝滚径向压力P挤压，同时产生扭转力矩M。与之对应在杆体内部形成径向、轴向、切向三个方向的内应力，在杆体表面为压应力，在大部分杆体截面上为拉应力且峰值在杆体中心，其叠加后的应力图如图7。

图5 径向滚丝示意图

图6 杆体受力示意图

图7 杆体截面应力图

三、讨论

第一强度理论认为，材料发生断裂是由最大拉应力引起，即最大拉应力达到某一极限值时材料发生断裂。如图6所示，锚杆在滚丝过程中，杆体截面由于应力分布不均匀受三向拉伸应力，且峰值始终在中心区域（图7），由于材料不圆度超差及丝滚间距调整不当，其内应力就会超过材料的抗拉强度极限，首先在杆体中心形成裂纹，当杆体继续旋转，并轮流在各个不同的直径方向上施加应力的情况下，形成“空腔”，造成脆性破断，同时由于材料本身存在中心偏析及粗大的非金属夹杂物，则加剧了开裂的进展。

四、结论

1.锚杆是由于不圆度大及丝滚间隙调整不当而发生“空腔式”破裂。

2.锚杆存在中心偏析及粗大非金属夹杂物加速了破裂过程的发展。

参考文献

[1] 胡世炎.破断故障分析[M].北京：国防工业出版社，1979.2

[2] 周惠久.金属材料强度学[M]. 北京：科学出版社，1989.2