影響HRB600螺紋鋼筋強屈比的因素

岑 風(fēng) 張 珂 褚 峰

(江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

眾所周知，螺紋鋼筋的抗震性能是混凝土建筑抵御地震的重要指標(biāo)，所以迫切需要研發(fā)強度高、抗震性能好的螺紋鋼筋[1- 4]。600 MPa級螺紋鋼筋具有強度高、安全性好、鋼材用量少等優(yōu)點，對提高我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的綜合性能，推動重大工程的技術(shù)進(jìn)步，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排等，都具有十分重要的意義。即將實施的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋[5]中，也增加了600 MPa級的HRB600高強鋼筋，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的延性要求，該鋼筋的屈服強度測定值與標(biāo)準(zhǔn)值之比不大于1.3、強屈比不小于1.25[6]，因此對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了更高的要求?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究了微觀組織、合金元素、熱處理制度、負(fù)差率等因素對400、500 MPa級鋼筋強屈比的影響[7- 8]。本文以HRB600螺紋鋼筋為研究對象，發(fā)現(xiàn)用同一爐鋼制作的HRB600螺紋鋼筋的強屈比存在較大差異[9- 10]。通過大量的對比試驗，對影響鋼筋強屈比的自然時效時間、數(shù)據(jù)采樣頻率、拉伸速率等因素進(jìn)行了分析，最終弄清了產(chǎn)生強屈比差異的主要原因，這有助于螺紋鋼筋類產(chǎn)品的性能檢測。

1 試驗材料與方案

試驗用HRB600螺紋鋼筋的直徑為25 mm，試樣取自同一爐同一批次產(chǎn)品，根據(jù)自然時效時間等試驗參數(shù)，將試樣分別編號為1、2、3、4、5和6號，每個編號6個試樣。采用SHIMADZU公司PDA7000型直讀光譜儀分析試驗材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。采用ZEISS公司Axio Imager Z1m型金相顯微鏡觀察試樣顯微組織，結(jié)果如圖1所示，為鐵素體和珠光體，晶粒度8級。

表1 HRB600螺紋鋼筋的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the HRB600 reinforced bar (mass fraction) %

圖1 HRB600螺紋鋼筋的顯微組織Fig.1 Microstructure of the HRB600 reinforced bar

拉伸試樣長度為500 mm，設(shè)備為INSTRON公司1200 kN液壓萬能試驗機，通過了計量檢定，精度為0.5級，額定載荷±1 200 kN。1、2號試樣的拉伸速率彈性段和屈服段為10 mm/min，塑性段為50 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 s-1；3、4號試樣拉伸速率彈性段和屈服段為10 mm/min，塑性段為50 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率分別為10和30 s-1；5、6號試樣拉伸速率彈性段和屈服段分別為15和20 mm/min，塑性段分別為75和100 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為30 s-1。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 自然時效時間對拉伸性能的影響

1、2號試樣的自然時效時間分別為12和48 h，拉伸試驗結(jié)果列于表2。

表2 自然時效時間對HRB600螺紋鋼筋拉伸性能的影響Table 2 Effect of natural aging time on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

由表2數(shù)據(jù)可知，自然時效12 h的1號試樣的強屈比小于自然時效48 h的2號試樣，強屈比平均值的差值為0.015；1號試樣的下屈服點均高于2號試樣，下屈服點的最大差值為9.3 MPa；1號試樣的抗拉強度低于2號試樣，最大差值為7.9 MPa。這些結(jié)果表明，時效時間相同的試樣的強度值相差均小于5 MPa，也即檢測結(jié)果比較穩(wěn)定，試樣的均勻性較好。試驗結(jié)果還表明，試樣的下屈服點隨自然時效時間的延長而下降。

2.2 采樣頻率和拉伸速率對鋼筋拉伸性能的影響

按照GB/T 228.1—2010數(shù)據(jù)采樣頻率計算公式A.2計算的最小數(shù)據(jù)采樣頻率約為10 s-1，試樣為3、4、5和6號。此次試驗時間與產(chǎn)品的生產(chǎn)日期間隔96 h。3、4號試樣設(shè)置的試驗機數(shù)據(jù)采樣頻率分別為10和30 s-1，拉伸速率彈性段和屈服段為10 mm/min，屈服后50 mm/min[11]，檢測結(jié)果如表3所示。5、6號試樣設(shè)置的試驗機數(shù)據(jù)采樣頻率均為30 s-1，5號試樣彈性段和屈服段拉伸速率為15 mm/min，屈服后75 mm/min。6號試樣彈性段和屈服段拉伸速率為20 mm/min，屈服后100 mm/min，檢測結(jié)果見表4。

由表3可見，3號試樣的強屈比低于4號試樣，二者強屈比平均值的差值為0.008，高于1、2號試樣的強屈比。3、4號試樣下屈服點的最大差值為9.7 MPa，而抗拉強度的最大差值為4.6 MPa。表3、表4中的檢測結(jié)果表明，隨著拉伸速率的增大，鋼筋的下屈點升高，但抗拉強度的變化不明顯。

表3 數(shù)據(jù)采樣頻率對HRB600螺紋鋼筋拉伸性能的影響Table 3 Effect of frequency of data sampling on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

表4 拉伸速率對HRB600螺紋鋼筋拉伸性能的影響Table 4 Effect of tensile rate on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 拉伸曲線下拐點數(shù)據(jù)

圖2表明，拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在屈服平臺末端均存在下拐點。根據(jù)GB/T 228.1—2010中對下屈服點的判定原則，在屈服段不計初始瞬時效應(yīng)，其后谷值最低應(yīng)力處對應(yīng)下屈服點，則圖中下拐點為最低應(yīng)力處試樣的下屈服點。因此，對下拐點的準(zhǔn)確判定是影響強屈比的關(guān)鍵因素。為查明出現(xiàn)下拐點的原因，采用Origin軟件作應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的散點圖，進(jìn)一步使下拐點區(qū)域清晰，以此來鑒別下拐點形成的原因。對圖2屈服段作散點圖，如圖3所示。圖3中下拐點處數(shù)據(jù)點的密集度正常，連續(xù)性好，由此可以確定，產(chǎn)生下拐點的原因是材料本身的特性而并非夾具打滑。此外，通過Origin散點圖還可以檢查拉伸曲線的完整性，也有助于判斷試樣在試驗過程中是否有打滑現(xiàn)象。

圖2 2號試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress- strain curve of the sample No.2

圖3 2號試樣的拉伸屈服段散點圖Fig.3 Scatter plots of yield stage from tensile curve of the sample No.2

2.3.2 產(chǎn)生下屈服點的理論原因

試驗用鋼筋出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，是由于鐵素體中的碳原子與位錯交互作用，碳原子強烈釘扎位錯，位錯從柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)中掙脫出來時，需克服較大的釘扎阻力。但由于鋼筋中加入了釩，形成了大量VC、VN等析出相，致使位錯飽和度急劇下降，產(chǎn)生大量可動位錯，導(dǎo)致應(yīng)力下降，從而在慣性作用下出現(xiàn)瞬時應(yīng)力低點，形成了下屈服點。

2.3.3 強屈比和下屈服強度[12- 13]

3號試樣的試驗數(shù)據(jù)采集頻率為10 s-1時，拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散點圖如圖4所示，可見下屈服點處的數(shù)據(jù)點較稀疏，下屈服點峰值至谷值的差值約4 MPa。同樣，4號試樣的試驗數(shù)據(jù)采集頻率為30 s-1時的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變散點圖如圖5所示，下屈服點處的數(shù)據(jù)點數(shù)較密集，下屈服點峰值至谷值的差值約14 MPa。3、4號試樣的其他條件相同，僅數(shù)據(jù)采樣頻率不同，但下拐點處的應(yīng)力值差別較大，這說明下拐點與數(shù)據(jù)采集頻率有一定的關(guān)系。此外，3號試樣的下屈服點明顯高于4號試樣，其原因就在于3號試樣的下屈服點處采集數(shù)據(jù)點偏少而造成局部數(shù)據(jù)點缺失，下屈服點失真，導(dǎo)致實測的下屈服點偏高。但抗拉強度受數(shù)據(jù)采樣頻率的影響不大，因此，4號試樣的強屈比高于3號試樣。

圖4 3號試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散點圖Fig.4 Scatter plots of tensile stress- strain curve of the sample No.3

2.3.4 自然時效試驗結(jié)果

第1次檢測時，1號試樣的強屈比均小于1.25；第2次檢測時，2號試樣的屈強比已接近1.25；而第3次檢測的3和4號試樣的屈強比均超過1.25。這3次檢測的試樣均取自同一爐冶煉、同批次軋制的鋼筋，試樣的自然時效時間分別為12、48和96 h。檢測結(jié)果顯示，隨著鋼筋自然時效時間的延長，下屈服點下降，導(dǎo)致強屈比明顯增大。自然時效后下屈服點下降是因為HRB600鋼筋的生產(chǎn)工藝為終軋后空冷，存在一定的殘余應(yīng)力，經(jīng)過自然時效，鋼筋中的殘余應(yīng)力得以釋放，導(dǎo)致下屈服點下降。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018的要求，強屈比不得小于1.25，因此，對于本次試驗選用的鋼筋，自然時效時間應(yīng)超過96 h。

圖5 4號試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散點圖Fig.5 Scatter plots of tensile stress- strain curve of the sample No.4

上述試驗結(jié)果表明，數(shù)據(jù)采樣頻率對試樣下屈服點的判定有一定影響，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 s-1時的下屈服點要高于數(shù)據(jù)采樣頻率為30 s-1時的下屈服點。其原因在于，數(shù)據(jù)采樣頻率較低時，下拐點處的數(shù)據(jù)點較稀疏，僅能采集局部數(shù)據(jù)，導(dǎo)致下屈服點失真。下屈服點隨拉伸速率的增大而升高，而數(shù)據(jù)采樣頻率和拉伸速率對抗拉強度的影響不明顯。自然時效時間對鋼筋的強屈比影響較大，隨著自然時效時間的延長，下屈服點下降，導(dǎo)致強屈比增大。

3 結(jié)論

(1)HRB600螺紋鋼筋的強屈比存在較大差異的主要原因是試樣的自然時效時間不同。隨著自然時效時間的延長，鋼筋的下屈服點下降，強屈比增大。自然時效96 h后，強屈比達(dá)到1.25以上，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。HRB600螺紋鋼筋在室溫拉伸時，具有自然時效敏感性，對高強度或合金元素含量較高的產(chǎn)品，測試時應(yīng)考慮自然時效期的影響，以超過96 h為宜。

(2)試驗機的數(shù)據(jù)采樣頻率對鋼筋的下屈服點有一定的影響。數(shù)據(jù)采樣頻率為10 s-1時，下拐點處的數(shù)據(jù)點較稀疏，拐點曲線上的局部數(shù)據(jù)點未被采集到，導(dǎo)致下屈服點明顯升高而失真，但數(shù)據(jù)采樣頻率對抗拉強度的影響不明顯。對這種有特殊下屈服特征的材料，為減少試驗誤差，試驗機的數(shù)據(jù)采樣頻率以不小于30 s-1為宜。

(3)鋼筋的下屈服點隨拉伸速率的增大而升高，但拉伸速率對抗拉強度的影響不明顯。為保證能準(zhǔn)確測定鋼筋的拉伸性能，根據(jù)GB/T 228.1—2010，拉伸速率在彈性段至屈服段應(yīng)為10～15 mm/min，在塑性段應(yīng)為75 mm/min。