CRB600H 高延性冷軋帶肋鋼筋時效性能研究*

鄭先超，周林磊

（1.安陽工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽455000；2.安陽市城市開發(fā)與公建管理辦公室，河南 安陽455000）

前言

關(guān)于冷軋帶肋鋼筋和熱軋帶肋鋼筋的使用都很廣泛，對熱軋帶肋鋼筋的研究也很多，對熱軋帶肋鋼筋的應(yīng)變時效性能[1]、自然時效、人工時效性能試驗分析[3，6]和力學(xué)性能波動進行研究[2]，找出力學(xué)性能指標值的波動特點[6]，發(fā)現(xiàn)時效不影響鋼筋的使用，并且自然時效后，鋼筋的綜合性能得到了提高[3，6]。對HRB400 熱軋帶肋鋼筋實施穿水冷卻工藝后，不但可以細化晶粒，改善組織，提高鋼筋的機械性能[4-5]。而且經(jīng)過自然時效后，一般鋼筋比穿水冷卻鋼筋的拉伸性能能夠更快趨于穩(wěn)定[7]。而對冷軋帶肋鋼筋的時效性能進行研究很少，謝世紅對冷軋帶肋鋼筋進行低溫退火實驗，略降低抗拉強度，顯著提高延伸率，完全消除了應(yīng)變時效，實驗還顯示，先時效后退火與先退火后時效，鋼筋最終性能相同[8]。

高延性主要指伸長率或最大力總伸長率得到大幅度的提高，其強屈比指標也高于冷軋帶肋鋼筋，使鋼筋性能總體上有了很大的改進。高延性冷軋帶肋鋼筋是經(jīng)低溫回火熱處理，具有較高伸長率的冷軋帶肋鋼筋。高延性冷軋帶肋鋼筋不僅解決了普通冷軋帶肋鋼筋的延性偏低，外觀質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低的缺點，而且大幅度的提高了鋼材的強度冷軋帶肋鋼筋的強度和延伸率，實現(xiàn)了冷軋帶肋鋼筋的升級換代，優(yōu)化了冷軋建筑用鋼的工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了有限的稀有合金資源，能夠完全滿足高層建筑、高速鐵路、高速公路等高端用戶的需求。高延性冷軋帶肋鋼筋產(chǎn)品性能穩(wěn)定無論從力學(xué)性能試驗，還是從外觀質(zhì)量都已經(jīng)成為普通冷軋帶肋鋼筋的更新?lián)Q代的新產(chǎn)品。

但是關(guān)于高延性冷軋帶肋鋼筋的實驗研究幾乎沒有，本文根據(jù)時效處理是改善冷態(tài)塑性變形后鋼的綜合性能有效辦法，利用合力公司高延性冷軋帶肋鋼筋生產(chǎn)線在線回火處理工藝，用人工時效處理的辦法，使冷軋鋼筋在一定溫度下發(fā)生恢復(fù)，部分或完全消除內(nèi)應(yīng)力，大幅度提高鋼的塑性，并保持較高的強度。研究在合力六代軋機生產(chǎn)線，高速下在線回火處理工藝下，鋼筋的內(nèi)應(yīng)力消除程度和效果，是否還存在時效效應(yīng)，并通過人工時效和自然時效的辦法加以驗證。

1 研究方法

用Q235 或HPB300 低碳鋼盤圓按GB 13788-2008或YB/T 4260-2011 標準軋制牌號CRB550 或CRB600H規(guī)格為φ8mm（φ10mm 盤圓二道成型軋制）、φ10mm（φ12mm 盤圓二道成型軋制）鋼筋，在半年內(nèi)分時間段做自然時效后力學(xué)性能（Rm、ReL、A5.65、Agt）檢驗，并用同批試樣（未經(jīng)自然時效）做人工時效后力學(xué)性能（Rm、ReL、A5.65、Agt）檢驗與自然時效對比。自然時效的處理是在同一成品卷相連幾圈中取樣，然后在靜止的空氣中自然冷卻到室溫，備用試樣靜置于室內(nèi)，每次取三根平行試樣做自然時效后力學(xué)性能檢驗。人工時效的處理是與自然時效用試樣同時現(xiàn)場制取，在靜止的空氣中自然冷卻到室溫，然后用箱式電阻爐加熱試樣（人工時效工藝條件：加熱試樣到100℃下保溫60min），在靜止的空氣中自然冷卻到室溫，取三根平行試樣做人工時效后力學(xué)性能檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工時效和自然時效后力學(xué)性能檢驗結(jié)果

φ8、φ10mm 鋼筋自然時效與人工時效（在100℃下保溫60min）后力學(xué)性能檢驗結(jié)果分別見圖1。φ8mm 鋼筋取樣時的工藝條件：冷軋速度為620m/min；回火溫度為570℃。φ10mm 鋼筋取樣時的工藝條件：冷軋速度為490m/min；回火溫度為590℃。平行試樣的檢測數(shù)據(jù)因波動較大未作任何處理，在圖中全部示出（下同）。

從檢測數(shù)據(jù)看，有一個共性，就是平行試樣性能檢測值波動較大，尤其是屈服強度，并且強度與延伸的對應(yīng)關(guān)系不明確（一般情況下強度高延性差）。

研究發(fā)現(xiàn)，人為干擾因素較多：一是，當屈服不明顯時（應(yīng)檢測RP0.2），計算機或人工取值，屈服強度存在不確定性；二是，試樣未完全矯直和標距測量方法不規(guī)范（從殘樣上看有時斷在鉗口附近或標點靠近斷口），影響延伸檢測結(jié)果。同時，不排除盤圓性能同卷差及質(zhì)量遺傳因素的影響。而抗拉強度較真實，為此，將重點探討時效前后抗拉強度的變化，其他檢測數(shù)據(jù)只作為參考。

2.2 簡要分析

2.2.1 人工時效和自然時效后強度變化

從圖1（a）、（c）均看出，隨著自然時效時間的延長抗拉強度呈下降趨勢；人工時效（在100℃下保溫60min）后抗拉強度與時效前比較略有下降或變化不明顯。不考慮個別異常值，φ8mm 鋼筋置于室內(nèi)77 天后下降趨勢趨緩并趨于穩(wěn)定（從趨勢上看時效時間少于77 天），與時效前比較，抗拉強度平均降低了15MPa，人工時效后與時效前比較，抗拉強度平均降低了10MPa；φ10mm 鋼筋置于室內(nèi)37 天后下降趨勢趨緩并趨于穩(wěn)定，與時效前比較，抗拉強度平均降低了8MPa，人工時效后與時效前比較，抗拉強度無明顯變化。

表2 成型鋼筋實驗室回火處理模擬試驗工藝

2.2.2 人工時效和自然時效后延伸變化

從圖1（b）、（d）可以看出，φ8、φ10mm 鋼筋自然時效和人工時效后與時效前比較，延伸（三種測量方法）的變化趨勢及與強度變化的對應(yīng)關(guān)系不明確，時效后延伸率（A5.65、A11.3）均能滿足標準要求，但最大力總伸長率（Agt）處于標準下限，個別值不符合要求。一般情況下，如果鋼筋的內(nèi)應(yīng)力釋放不完全，經(jīng)時效處理后，隨著內(nèi)應(yīng)力的進一步釋放，強度下降，延性變好；或鋼筋的內(nèi)應(yīng)力釋放較完全，經(jīng)時效處理后，強度和延伸無明顯變化。但圖上反映出的檢測結(jié)果有悖常理，φ8mm 鋼筋隨著自然時效時間的延長，強度下降，延伸變化趨勢不明顯（強度變化小時此現(xiàn)象存在）；φ10mm 鋼筋隨著自然時效時間的延長，強度下降，延伸（A5.65和A11.3）也呈下降趨勢。

在試驗中發(fā)現(xiàn)，試樣檢測不規(guī)范，存在三個方面的問題：一是有時斷在鉗口附近；二是有時標點靠近斷口；三是試樣未完全矯直，直接影響檢測結(jié)果。同時還發(fā)現(xiàn)，平行試樣延伸波動較大，存在同卷（甚至同圈）差。對此，作了對比試驗。同一卷相連幾圈連續(xù)取拉伸試樣，標距按照標準要求（30、40、50mm），標點間距10mm（原30、40、50mm），延伸測量時標點盡量遠離斷口和夾具區(qū)，不同測量方法鋼筋的延伸率檢測值見表1（表1 中不同下標的A，以下用延伸表述）。表1 中，延伸-1 表示：標距一端標點距斷口最近的點；延伸-2 表示：標距一端標點距斷口最近的點再移動10mm；延伸-3 表示：標距一端標點距斷口最近的點再移動20mm；空格說明斷在夾具內(nèi)；編號1-10 為同一卷，11-18 為同一卷。

從表1 中的檢測數(shù)據(jù)可以看出，測量方法對延伸率檢測值的影響是存在的，尤其是對A5.65檢測值的影響最為明顯。同時也發(fā)現(xiàn)鋼筋的最大力總伸長率（Agt）較低，甚至不合格，第一組（編號1-10）平行試樣中合格率僅有50%，說明鋼筋在應(yīng)力作用下有不均勻塑性變形現(xiàn)象存在。

圖2 φ8mm 鋼筋100℃人工時效后強度和延伸變化趨勢

圖3 φ8mm 鋼筋200℃人工時效后強度和延伸變化趨勢

2.3 特殊條件下的試驗結(jié)果與分析

為了對上述結(jié)果做進一步驗證，對φ8、φ10mm 鋼筋重新取樣做特殊條件下人工時效試驗，并對φ8mm 回火處理前成型鋼筋做了實驗室回火處理模擬試驗。試樣制取時按軋制順序連續(xù)編號，按編號順序安排試驗先后順序，以減小因性能同卷差造成的平行試樣檢測值的波動。人工時效工藝：100℃和200℃下分別保溫60-600min。實驗室回火處理模擬試驗工藝見表2。

2.3.1 100℃和200℃下人工時效試驗

圖2 反映的是φ8mm 鋼筋100℃和200℃下分別保溫60-300min 人工時效后力學(xué)性能檢測值，因無時效前檢測數(shù)據(jù)，用60min 人工時效后力學(xué)性能檢測值作比較。從圖2（a）可以看出，不考慮個別異常值，100℃下保溫60-300min，240min 后抗拉強度平均下降了8MPa；200℃下保溫60-300min，120min 后抗拉強度平均下降了23MPa。為了更進一步驗證φ8mm 鋼筋特殊條件下抗拉強度的變化趨勢，再次取樣（批號不同）做了200℃下保溫60-540min 人工時效試驗，時效后力學(xué)性能檢測結(jié)果見圖3（延伸數(shù)據(jù)不完整是因為試樣斷在夾具附近或夾具內(nèi)無法測量）。從圖3（a）可以看出，不考慮個別異常值，200℃下保溫120-240min，抗拉強度與時效初期比較平均下降了13MPa；200℃下保溫300-540min，抗拉強度與時效初期比較平均下降了25MPa。圖2（a）、3（a）反映出的結(jié)果略有差異，兩個批號試樣的工藝和冷軋基料差別無法追溯，但均表明：鋼筋在200℃下保溫60-540min，隨保溫時間的延長，人工時效后抗拉強度呈下降趨勢，時效效應(yīng)比較明顯。從圖2（b）、3（b）可以看出，延伸率波動較大，其變化趨勢及與強度變化的關(guān)系不明確。

圖4 反映的是φ10mm 鋼筋200℃下分別保溫60-600min 人工時效后力學(xué)性能檢測值，該批試樣的工藝條件：冷軋速度170m/min；回火溫度590℃。從圖4（a）可以看出，不考慮個別異常值，與時效前比較無明顯變化。從圖4（b）可以看出，延伸率波動較大，其變化趨勢及與強度變化的關(guān)系不明確。

綜合分析以上結(jié)果，進一步驗證了，不同工藝和冷軋基料，鋼筋的時效處理結(jié)果有差別。位錯的密度隨鋼材的化學(xué)成分，熱處理及冷變形等因素而不同的，從而影響時效處理結(jié)果?；鼗饻囟雀撸欣阡摻畹膬?nèi)應(yīng)力釋放和時效效應(yīng)的消除。

2.3.2 實驗室回火處理模擬試驗

圖5 反映的是同一條件下（冷軋基料、軋制工藝），φ8mm 冷軋帶肋鋼筋不同回火工藝條件下的力學(xué)性能檢測值（回火工藝見表2）。從圖5（a）可以看出，在再結(jié)晶溫度以下，回火溫度越高，鋼的恢復(fù)程度越好；溫度一定時，隨保溫時間的延長，鋼的強度呈下降趨勢，且下降速率在降低。僅從試驗數(shù)據(jù)看（延伸數(shù)據(jù)不完整是因為試樣斷在夾具附近或夾具內(nèi)無法測量），φ8mm 冷軋鋼筋在580℃下回火處理，強度和塑性均能滿足高延性鋼的標準要求。在560℃或600℃下回火處理，合理控制軋制速度和回火溫度，是改善鋼的綜合性能的關(guān)鍵，回火溫度低，軋制速度要慢，旨在保持溫度的時間要充分，利于鋼的恢復(fù)，以提高塑性；回火溫度高，軋制速度要快，在保證高延性的同時，還要保證強度符合要求。當然，冷軋基料的條件也很重要。本次試驗受實驗室條件限制，能否反映真實情況，有待進一步驗證，特別是塑性指標。

2.3.3 組織和夾雜物分析

為了進一步探討同一卷鋼筋制取的試樣力學(xué)性能檢測值波動大的原因，對圖2 中強度值波動較大的試樣選取了幾組，做了組織（見圖6）和夾雜物分析，圖6 中（a）、（b）、（c）、（d）所用試樣的抗拉強度分別為690MPa、604 MPa、584MPa、694MPa，與其對應(yīng)的延伸率（Agt/%）分別為9.53、8.73、6.62、4.53。從金相圖片上可以看出，組織無異常，晶粒度無明顯差別。光學(xué)顯微鏡下觀察，拉伸試樣斷口和縮徑區(qū)域未發(fā)現(xiàn)10 微米以上夾雜物。從該批試樣顯微分析結(jié)果判斷，組織和夾雜物不是性能波動的主因（不排除組織和夾雜物異常情況下的影響），可能與晶體結(jié)構(gòu)中的差異有關(guān)，因缺少觀察手段，現(xiàn)階段無法考證。

圖4 φ10mm 鋼筋200℃下人工時效后強度和延伸變化趨勢

圖5 φ8mm 冷軋鋼筋實驗室不同回火處理工藝條件下的強度值和延伸率

3 結(jié)論

本文利用合力公司六代軋機生產(chǎn)線，高速在線回火處理工藝生產(chǎn)的冷軋帶肋鋼筋，研究了φ8、φ10mm 冷軋帶肋鋼筋在時效處理后與時效前的力學(xué)性能變化，為了做進一步驗證，對其重新取樣做特殊條件下人工時效試驗，并對φ8mm 回火處理前成型鋼筋做了實驗室回火處理模擬試驗。在實驗研究中發(fā)現(xiàn)：

（1）抗拉強度隨著自然時效時間的延長呈下降趨勢；抗拉強度在人工時效（在100℃下保溫60min）后與時效前比較略有下降或變化不明顯。延伸（三種測量方法）的變化趨勢及與強度變化的對應(yīng)關(guān)系不明確，時效后延伸率（A5.65、A11.3）均能滿足標準要求，但最大力總伸長率（Agt）處于標準下限，個別值不符合要求，說明鋼筋在應(yīng)力作用下有不均勻塑性變形現(xiàn)象存在。發(fā)現(xiàn)測量方法對延伸率檢測值的影響是存在的，尤其是對A5.65檢測值的影響最為明顯。

（2）合理控制軋制速度和回火溫度，是改善鋼的綜合性能的關(guān)鍵，冷軋基料條件（成分和性能）允許的情況下，在再結(jié)晶溫度以下，回火溫度高或溫度保持時間長，有利于鋼筋的內(nèi)應(yīng)力釋放和時效效應(yīng)的消除。

（3）對強度值波動較大的試樣進行金相組織分析，從試樣顯微分析結(jié)果判斷組織和夾雜物不是力學(xué)性能檢測值波動大的主要原因。

圖6 鋼筋金相組織圖片