HRB400細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的時(shí)效性能分析

鄭 寧

HRB400細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的時(shí)效性能分析

鄭 寧

通過對昆鋼試驗(yàn)生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的自然時(shí)效和人工時(shí)效性能試驗(yàn)分析，得出昆鋼生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋時(shí)效后力學(xué)性能呈一定的規(guī)律性變化，主要表現(xiàn)為鋼筋時(shí)效后屈服強(qiáng)度有一定下降，抗拉強(qiáng)度的變化不明顯，伸長率平均升高了3個(gè)百分點(diǎn)，時(shí)效不影響鋼筋的使用，并且自然時(shí)效后，鋼筋的綜合性能得到了提高。

HRB400細(xì)晶粒鋼筋 力學(xué)性能 自然時(shí)效 人工時(shí)效 綜合性能

1.前言

一般來說，時(shí)效就是鋼（或合金）經(jīng)高溫奧氏溫度后快冷，其固溶體中的溶質(zhì)元素（合金元素）處于過飽和狀態(tài)，如果在室溫或某一定高溫下溶質(zhì)原子仍具有一定的擴(kuò)散能力，那么隨時(shí)間的延續(xù)，過飽和固溶體中的溶質(zhì)元素將發(fā)生脫溶（或析出），從而使鋼（或合金）的性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。如果時(shí)效過程是在室溫下經(jīng)較長時(shí)間而產(chǎn)生，就稱為自然時(shí)效。如果時(shí)效過程是人為加熱到一定溫度加速時(shí)效的過程，叫人工時(shí)效。

現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)軋鋼廠生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋一般采用熱軋空冷的方法生產(chǎn)，主要工藝是在冶煉過程中加釩氮合金或鈮鐵。其中釩（或鈮）的含量平均在0.045%左右，這種方式生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)的鋼筋性能穩(wěn)定，軋制過程中不需要特殊的控軋控冷。但是，隨著釩氮（或鈮鐵）合金價(jià)格的迅速提高，加之合金的使用量過多，對企業(yè)來說生產(chǎn)成本會(huì)有大的提高，并且，從國家資源戰(zhàn)略可持續(xù)發(fā)展的角度來分析，這種生產(chǎn)方式也是不經(jīng)濟(jì)的。為生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，又不需增加過多生產(chǎn)成本的細(xì)晶粒帶肋鋼筋，各帶肋鋼筋生產(chǎn)企業(yè)都在尋找更科學(xué)、又比較經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式。

從2004年開始，昆鋼在綜合考慮社會(huì)各種因素及自身?xiàng)l件的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)攻關(guān)，研究開發(fā)出了有自我特色的HRB400細(xì)晶粒鋼筋的生產(chǎn)工藝。根據(jù)生產(chǎn)工藝裝備情況，確定了適宜的化學(xué)成分、合理的加熱制度和壓下制度，摸索出生產(chǎn)HRB400細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的有三個(gè)余熱處理階段的冷卻工藝：一是淬火熱處理階段，在這階段鋼筋表面獲得一定厚度的馬氏體淬硬層，但芯部仍保持在單一的奧氏體區(qū)；二是自回火熱處理階段，在這階段鋼筋通過熱傳導(dǎo)，熱量從芯部傳到已淬火的表面， 淬火熱處理形成的馬氏體得到自回火，使其在保持高強(qiáng)度的同時(shí)，又有足夠的韌性；三是自然冷卻階段，在這階段鋼筋在冷床上自然冷卻，芯部未轉(zhuǎn)變的奧氏體發(fā)生中低溫轉(zhuǎn)變。最終組織類型取決于鋼的成分、終軋溫度和淬火熱處理的冷卻效果與冷卻時(shí)間。鋼筋橫斷面上組織分為三層：表面層組織為回火S、過渡層組織為S+P及芯部組織為P+F+B(少量)。鋼筋的力學(xué)性能取決于三層的組織構(gòu)成及三層所占的比例。

用這種方式生產(chǎn)HRB400細(xì)晶粒鋼筋的優(yōu)點(diǎn)是在大幅度降低合金的基礎(chǔ)上，利用余熱處理的方式充分發(fā)揮材料的潛能，并保證不影響材料的綜合性能。昆鋼按此工藝生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋合金（V、Nb）的含量可以降低為一般熱軋HRB400鋼筋含量的1/4左右。根據(jù)大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋的綜合性能卻仍然有很大的富裕。主要原因是試驗(yàn)生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋與一般熱軋HRB400鋼筋在冷卻方式上不同。

為了保證細(xì)晶粒鋼筋的使用性能，使用戶放心使用昆鋼生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋，通過大量試驗(yàn)，昆鋼對所試驗(yàn)生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋的時(shí)效性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，結(jié)論是：時(shí)效不影響鋼筋的使用，時(shí)效對鋼筋的綜合性能是有利的。

2.試驗(yàn)方案

在棒材生產(chǎn)線，在試驗(yàn)HRB400細(xì)晶粒鋼筋時(shí)，每種規(guī)格分10次隨機(jī)抽取50個(gè)爐批試樣，每次抽取5個(gè)爐批，每個(gè)爐批按頭、中、尾均勻抽取4支5m-6m的非定尺試樣，每次共計(jì)抽取20支試樣，每支試樣上取10個(gè)拉力樣，其中1個(gè)基準(zhǔn)拉力樣、一個(gè)人工時(shí)效樣和8個(gè)自然時(shí)效樣?；鶞?zhǔn)拉力樣當(dāng)日檢驗(yàn)，人工時(shí)效樣在2天內(nèi)熱處理（人工時(shí)效）并檢驗(yàn)，自然時(shí)效樣按時(shí)效周期進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)，時(shí)效周期分別為：7天、14天、21天、30天、60天、90天、180天、360天，自然時(shí)效樣在規(guī)定的時(shí)效周期滿后當(dāng)日檢驗(yàn)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 HRB400細(xì)晶粒鋼筋自然時(shí)效情況

通過統(tǒng)計(jì), 細(xì)晶粒鋼筋自然時(shí)效后，不同規(guī)格的變化規(guī)律相似。但是規(guī)格越大，時(shí)效越明顯。以下以Ф25的HRB400細(xì)晶粒鋼筋為例進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1、圖2、圖3、圖4。

從以上看出，規(guī)格越大，細(xì)晶粒鋼筋屈服強(qiáng)度下降的值越大，Φ16屈服強(qiáng)度下降的平均值最小，Φ 18、Φ22次之，Φ25最大。自然時(shí)效后，細(xì)晶粒鋼筋屈服強(qiáng)度普遍有所降低，在時(shí)效1周內(nèi)降低最明顯，平均降低10MPa左右。隨著時(shí)間的推移，變化不是很大；抗拉強(qiáng)度在小范圍內(nèi)波動(dòng)，總體變化不大；伸長率平緩升高，90天后基本穩(wěn)定，升高幅度為3個(gè)百分點(diǎn)左右。

3.2 HRB400細(xì)晶粒鋼筋人工時(shí)效的情況

通過人工時(shí)效試驗(yàn)后，不同規(guī)格的變化規(guī)律與自然時(shí)效相似。在試驗(yàn)過程中，規(guī)格為Φ22的變化比較明顯。以下以Ф22的HRB400細(xì)晶粒鋼筋為例進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5、圖6、圖7。

從以上可以看出，人工時(shí)效后，細(xì)晶粒鋼筋屈服強(qiáng)度普遍下降，平均下降16 MPa左右，抗拉強(qiáng)度有所上升，平均上升大約5 MPa，伸長率平均提高2.4個(gè)百分點(diǎn)。

3.3.試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1可以看出，細(xì)晶粒鋼筋屈服強(qiáng)度自然時(shí)效后下降，說明應(yīng)力為壓應(yīng)力。產(chǎn)生原因主要是鋼筋在淬火過程中產(chǎn)生的淬火應(yīng)力。淬火產(chǎn)生的淬火應(yīng)力大部分在隨后的回火過程中得到釋放，未得到釋放的部分滯留在材料內(nèi)，這部分應(yīng)力使晶格發(fā)生畸變，改變了金屬原子間的距離。在自然時(shí)效過程中，由于試樣環(huán)境溫度的變化引起的鋼筋體積的膨脹或收縮，使部分應(yīng)力松弛，因此，自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度下降。并且，不同的規(guī)格，屈服強(qiáng)度的下降的程度是不一樣的。鋼筋在冷卻時(shí)，不同規(guī)格的冷卻強(qiáng)度是不同，規(guī)格越大，冷卻強(qiáng)度越大，穿水層面積就越大，產(chǎn)生的淬火應(yīng)力也就越大，發(fā)生畸變的金屬原子也就越多，恢復(fù)到平衡位置金屬原子所釋放的應(yīng)力就大。因此，屈服下降就更明顯。

細(xì)晶粒鋼筋的抗拉強(qiáng)度主要取決于材料的成分、組織和晶粒度，而成分、組織和晶粒度在時(shí)效過程中隨時(shí)間一般不變，因此，細(xì)晶粒鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)效變化不明顯。隨著內(nèi)應(yīng)力的降低，材料塑性有所提高，表現(xiàn)為伸長率升高了3個(gè)百分點(diǎn)左右。

從（圖4、圖5、圖6）可以得出，人工時(shí)效后，力學(xué)性能發(fā)生了較大的變化，分析其原因，本文認(rèn)為主要有以下幾點(diǎn)：（1）人工時(shí)效與自然時(shí)效不同。因?yàn)槿斯r(shí)效是在一定溫度下進(jìn)行，所以人工時(shí)效能為發(fā)生畸變的金屬原子提供一定的驅(qū)動(dòng)力，結(jié)果是使能恢復(fù)到平衡位置金屬原子增多，所釋放的應(yīng)力就更大。理論上，自然時(shí)效只能消除10%左右的殘余應(yīng)力，人工時(shí)效消除殘余應(yīng)力比自然時(shí)效效率高得多，它能消除50%～80%的內(nèi)應(yīng)力，這就是屈服強(qiáng)度下降比較明顯的原因；（2）從HRB400細(xì)晶粒鋼筋的軋制工藝可以得知，由于冷卻速度很快，必然會(huì)出現(xiàn)過飽和的晶粒組織，在隨后析出的充分與否，取決于隨后的回火溫度和在一定溫度范圍內(nèi)的保溫時(shí)間。因此，本文試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度升高，可能是析出強(qiáng)化的作用。但是由于溫度較低（人工時(shí)效溫度為300℃），原子擴(kuò)散困難，因此析出強(qiáng)化效果不大，與淬火應(yīng)力對屈服強(qiáng)度的影響相比，這點(diǎn)析出強(qiáng)化作用是很小的，所以屈服強(qiáng)度普遍降低。

4.時(shí)效對細(xì)晶粒鋼筋綜合性能的影響

從試驗(yàn)中已經(jīng)得出，由于靜態(tài)回復(fù)機(jī)制的作用，使得鋼筋在時(shí)效前和時(shí)效后的力學(xué)性能指標(biāo)呈規(guī)律性變化。具體表現(xiàn)為：屈服強(qiáng)度下降，抗拉強(qiáng)度變化不明顯，伸長率上升。從試驗(yàn)的結(jié)果來看，鋼筋屈服強(qiáng)度的變化范圍為-5 MPa至-25 MPa之間，平均降幅為16 MPa左右；抗拉強(qiáng)度變化范圍在-5 MPa到-10 MPa之間，平均變化為5 MPa；伸長率平均提高幅度在1.5%-4.5%之間，平均提高3%。

昆鋼試驗(yàn)生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋無論是屈服強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度，性能的富裕量平均比GB 1499—1998標(biāo)準(zhǔn)要求高40 MPa-50 MPa以上，昆鋼對熱軋帶肋鋼筋的性能控制要求也遠(yuǎn)大于時(shí)效產(chǎn)生的最大影響，因此，時(shí)效對昆鋼生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋的使用沒有影響，相反，通過統(tǒng)計(jì)，昆鋼試驗(yàn)生產(chǎn)的HRB400細(xì)晶粒鋼筋時(shí)效后，除了上文提到的塑性指標(biāo)得到提高以外，諸如抗震指標(biāo)也得到明顯的提高。見圖8。

5.結(jié)論

（1）自然時(shí)效對HRB400細(xì)晶粒鋼筋的力學(xué)性能有一定的影響，表現(xiàn)為自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度有所降低，抗拉強(qiáng)度變化不大，伸長率升高了3個(gè)百分點(diǎn)。為保證時(shí)效造成的力學(xué)性能波動(dòng)，HRB400細(xì)晶粒鋼筋在判定時(shí)要考慮自然時(shí)效的影響。

（2）淬火應(yīng)力是引起HRB400細(xì)晶粒鋼筋自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度降低的主要原因。冷卻強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的淬火應(yīng)力也就越大，屈服下降越明顯。

（3）通過對HRB400細(xì)晶粒鋼筋進(jìn)行人工時(shí)效試驗(yàn)得出：淬火應(yīng)力是導(dǎo)致HRB400細(xì)晶粒鋼筋時(shí)效后屈服下降的主要原因。人工時(shí)效后抗拉強(qiáng)度小幅升高，主要是析出強(qiáng)化的結(jié)果。

（4）時(shí)效不影響鋼筋的使用，并且時(shí)效后，HRB400細(xì)晶粒鋼筋的塑性指標(biāo)，抗震合格率都得到了明顯的提高，時(shí)效對細(xì)晶粒鋼筋的綜合性能是有利的。

昆鋼科技創(chuàng)新部）