500 MPa級熱軋帶肋盤條力學性能不足原因分析

馬　杰，王　超，張朝輝，趙福才，王賀龍

(西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055)

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500 MPa級熱軋帶肋盤條力學性能不足原因分析

馬杰，王超，張朝輝，趙福才，王賀龍

(西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055)

針對某鋼廠生產(chǎn)500MPa級熱軋帶肋盤條時出現(xiàn)力學性能不足的問題，采用化學成分分析、顯微組織分析、斷口掃描分析以及夾雜物分析等方法進行研究。結(jié)果表明，鋼中大量的魏氏體和上貝氏體的存在，以及大顆粒夾雜物含量過多、分布較集中是導致HRB500E熱軋帶肋鋼筋力學性能不足的主要原因。可通過吹氬促進夾雜物上浮來均勻鋼水成分，控制冷卻條件來減少異常組織以解決該問題。

HRB500E鋼筋；力學性能；夾雜物；異常組織

HRB500E鋼筋韌性好、強度高以及抗震性能良好，可以滿足高層、超高層建筑和大型框架結(jié)構(gòu)等對高強度、大規(guī)格鋼筋的需求。用它取代HRB335鋼筋，可以節(jié)約用量28%以上；取代HRB400，可節(jié)約14%的用量，這樣不僅能提高鋼筋的抗震性及其他性能，滿足我國乃至世界各國對于抗震結(jié)構(gòu)材料強度的需求，同時還能節(jié)約能源，減少污染氣體和粉塵的排放，符合國際低碳經(jīng)濟的要求。

某鋼廠在生產(chǎn)HRB500E熱軋帶肋盤條過程中出現(xiàn)力學性能不足的問題，影響了鋼材的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益。由于HRB500E鋼筋的力學性能主要由C、Mn、Si和V等元素的含量及金相組織、非金屬夾雜物等決定[1-3]，因此，本文從成分、金相組織和非金屬夾雜物等3個方面來分析出現(xiàn)力學性能不足的原因。

1　試驗過程

1.1生產(chǎn)工藝

龍鋼生產(chǎn)HRB500E熱軋帶肋盤條的工藝流程為：高爐煉鐵→混鐵爐→轉(zhuǎn)爐→吹氬站(氮氣或氬氣)→連鑄→熱軋。生產(chǎn)過程中利用硅錳、硅鐵、碳化硅、鋁錳鐵、硅鈣鋇和氮化釩進行脫氧合金化及增碳。

1.2試驗方法

為分析HRB500E熱軋帶肋盤條力學性能不足的原因，試驗中所選取的試樣來自于拉伸試驗力學性能不足的產(chǎn)品。利用掃描電鏡對斷裂試樣進行斷口分析；利用光譜分析儀進行成分檢測；利用金相顯微鏡觀察和分析夾雜物的類別、數(shù)量和形貌；利用能譜儀分析夾雜物成分。試樣力學性能見表1。

表1　試樣力學性能

從表1數(shù)據(jù)可知，1#試樣的屈服強度和抗拉強度均滿足國家標準，但是斷裂總延伸率偏低，強屈比低于國標；2#試樣的屈服強度和抗拉強度均滿足國家標準，但是屈服強度低于內(nèi)控標準，斷裂總延伸率低于國家標準；3#試樣各項力學性能均合格。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1化學成分分析

將3個試樣制成光譜試樣，利用光譜分析儀檢測3個試樣的化學成分(見表2)，并與成分內(nèi)控標準對比。

表2　試樣化學成分(質(zhì)量分數(shù))　(%)

從表2可知，所有元素成分均在內(nèi)控標準成分范圍內(nèi)，因此宏觀成分不是導致力學性能不足的原因。

2.2斷口宏觀分析

對3個拉伸試樣的斷口進行宏觀觀察(見圖1)，可知斷裂面與拉伸應力垂直，斷口均有明顯的塑性變形，試樣的幾何尺寸發(fā)生了顯著的變化，可知3個拉伸試樣均為韌性斷裂。

圖1　宏觀斷口形貌

2.3斷口微觀形貌分析

利用掃描電鏡對1#和2#試樣進行斷口微觀形貌分析(見圖2)，斷口分布大量的韌窩，韌窩區(qū)孔洞較多，在韌窩底部存在有大量球狀和不規(guī)則狀的夾雜物，二次裂紋呈弧形分布。1#試樣夾雜物能譜分析圖如圖3所示。由圖2和圖3可知，斷口形貌以韌性斷裂為主，有硫化物、氧化物和硅酸鹽類復合夾雜物。夾雜物的存在破壞了鋼基體的連續(xù)性，容易引起應力集中，導致鋼材形成裂紋或斷裂，嚴重影響材料的力學性能[4-5]。

圖2　斷口微觀形貌分析圖

圖3　1#試樣夾雜物能譜分析圖

2.4夾雜物分析

夾雜物作為鋼中的有害物質(zhì)，應嚴格控制其含量與級別。沿斷口中心將試樣切割成兩半，經(jīng)磨制、拋光后利用金相顯微鏡觀察。由金相顯微鏡得到的試樣局部放大圖如圖4所示，觀察此圖可以發(fā)現(xiàn)，夾雜物的數(shù)量較多，有成群聚集分布級別為C3s條形的硅酸鹽類夾雜物和級別為粗系A3的條狀硫化物。2#試樣夾雜物能譜分析圖如圖5所示。

圖4　夾雜物顯微分析圖

由圖4和圖5通過與標準圖片進行對比和能譜分析判定夾雜物為Mn、Si等的氧化物、錳和鐵的硫化物、以及含SiO2較低的低熔點硅酸鹽等的復合夾雜物。其產(chǎn)生的主要原因有：1)脫落的耐火材料存在于鋼水中；2)出現(xiàn)了保護渣卷渣現(xiàn)象；3)冶煉環(huán)節(jié)操作過程所致，如吹氬不足導致夾雜物沒有充分上浮而存在于鋼水中。

2.5金相顯微分析

將力學性能不合格的HRB500E熱軋帶肋鋼筋從斷口背面10mm處截取并制備成金相試樣進行觀察，對照標準圖譜。金相試樣的取樣方向為垂直于拉伸方向，然后磨制拋光，拋光后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，利用金相顯微鏡分析其金相組織(見圖6)。

圖5　2#試樣夾雜物能譜分析圖

圖6　HRB500E金相組織

HRB500E熱軋帶肋鋼筋合格的組織為鐵素體晶粒+均勻分布的珠光體，鐵素體+珠光體含量約為65%+35%，晶粒為7～8級。從圖6中可以看出，1#試樣局部金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏組織，參照GB/T13299—1991魏氏組織標準圖譜可知，魏氏組織級別為1.5級；2#試樣邊緣局部區(qū)域的金相顯微組織為鐵素體+珠光體+大量魏氏組織+大量上貝氏體組織，可判斷其魏氏組織級別為2.5級；3#試樣的金相圖片為鐵素體+珠光體。

魏氏體組織和貝氏體異常組織的出現(xiàn)，均能導致鋼的力學性能下降，魏氏體組織雖使鋼的強度有所增加，但能使其塑性降低；上貝氏體能使鋼的強度和塑性指標均變差[6]，這也和鋼的實際性能檢驗結(jié)果相符。

3　解決措施

3.1組織控制

1)降低鋼水過熱度，加強控制二冷水量，防止鋼材冷卻速度過快。在西北環(huán)境溫度低的冬季，可適當降低二冷配水量。

2)應嚴格控制吹氬工藝，及時調(diào)整吹氬壓力、時間，注意合金加入時間及塊度，避免化學成分不均勻及成分偏析。

3)嚴格控制加熱溫度、時間和終軋溫度，防止奧氏體晶粒粗大。

3.2夾雜物控制

夾雜物控制因素較多，應予以全方位控制?？蓮膴A雜物類型、數(shù)量、尺寸及分布等方面著手，最大限度地降低夾雜物的有害作用。

1)澆注環(huán)節(jié)應保證液面高度符合要求并減少波動，避免出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。

2)吹氬時間應充足，以促進夾雜物的上浮，確保鋼水純凈度，同時也進一步提高成分的均勻程度[7]。

3.3軋制控制

1)嚴格按照規(guī)程進行連鑄坯加熱的控制，確保加熱質(zhì)量。

2)如出現(xiàn)異常情況(如連鑄坯留在爐內(nèi))，按照不同鋼種執(zhí)行停軋降溫，避免晶粒異常長大現(xiàn)象。

3)在熱量不充分、加熱溫度偏低時，適當延長加熱時間，確保合金元素充分溶入奧氏體中。對于釩微合金強化的鋼筋，確保加熱質(zhì)量，目的是充分發(fā)揮強化元素作用，同時又不生成影響性能的異常組織[8-9]。

4　結(jié)語

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論。

1)導致HRB500E力學性能不足的主要原因是夾雜物數(shù)量多、尺寸大且分布相對集中，存在魏氏體、上貝氏體組織等。

2)應制定嚴格的吹氬制度，吹氬壓力、時間等應根據(jù)情況進行調(diào)整，以保證吹氬對消除偏析所起的重要作用。

3)應嚴格執(zhí)行軋制工藝，控制加熱溫度、加熱時間和終軋溫度。

[1] 盧愛鳳，欒兆亮，尹晏生，等.HRB400 熱軋帶肋鋼筋延伸率偏低原因分析[J].新技術(shù)新工藝，2010(12)：70-72.

[2] 趙修領. 熱軋帶肋鋼筋HRB335 強度不合原因分析[J].萊鋼科技，2010，119(5)：40-42.

[3] 習曉峰，韓若洲，辛向明，等.HRB500熱軋帶肋鋼筋延伸率偏低原因分析[J].天津冶金，2015(1)：40-42.

[4] 馬幼平,魯路.魏氏組織和氧化物對HRB335鋼筋脆斷的影響[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2002，34(3)：236-238.

[5] 劉金超，欒兆亮，趙蕾，等.熱軋帶肋鋼筋(HRB400)力學性能指標低的原因分析[J].物理測試，2010,28(3)：35-39.

[6] 何肇基.金屬的力學性質(zhì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1982.[7] 張朝輝，折媛，巨建濤.HRB335熱軋帶肋鋼筋脆斷原因分析[J].熱加工工藝，2006,35(12)：67-69.

[8] 奕兆亮， 趙修領. 熱軋帶肋鋼筋HRB335 強度不合原因分析[J]. 萊鋼科技，2010，119(5)：40-42.

[9] 王建軍.HRB400熱軋帶肋鋼筋微氮合金化研究與應用[J].新技術(shù)新工藝，2014(5)：11-13.

責任編輯鄭練

AnalysisofLowMechanicalPropertiesofHighStrength(HRB500E)HotRolledRibbedBars

MAJie,WANGChao,ZHANGChaohui,ZHAOFucai,WANGHelong

(CollegeofMetallurgicalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Forthelowmechanicalpropertyof500MPahotrolledribbedwire,methodssuchaschemicalcomposition,macrostructure,SEMoffracture,andslaginclusionsanalysisareusedinproductanalysis.TheresultsshowthatthekeyreasonforthelowmechanicalpropertyofHRB500Ehotrolledribbedbarsareduetothelargenumberofabnormalmetallographicalstructureandhighcontentofnon-metallicinclusionsaswellastherelativelyconcentrateddistribution.Theproblemcouldbesolvedbymeasuresofbringinghomogenizationtoliquidsteelbyargonstirringtofacilitatetheinclusiontofloatandcontrolofcoolingconditions.

HRB500Erebar,mechanical,inclusions,abnormalmicrostructure

TG142

A

馬杰(1958-)，男，副教授，博士，主要從事鋼鐵冶金等方面的研究。

2016-01-08