軋制溫度對(duì)Φ50 mm HRB500E反彎性能的影響

張華偉， 欽祥斗， 李建賓 ， 田 力

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

隨著國(guó)家對(duì)建筑工業(yè)安全要求的提高，以及加快淘汰低強(qiáng)鋼筋，實(shí)現(xiàn)建筑鋼材升級(jí)換代，減少鋼材使用量，建設(shè)節(jié)約型，2018年11月1日正式執(zhí)行GB/T 1449.2-2018《 鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標(biāo)準(zhǔn)，取消了355 MPa級(jí)鋼筋，增加了600 MPa級(jí)鋼筋[1-3]。因此，400、500 MPa級(jí)的鋼筋將作為普通產(chǎn)品，大量用于國(guó)內(nèi)的建筑業(yè)，必將使國(guó)內(nèi)建筑物的安全性進(jìn)一步的提高。HRB500E是一種屈服強(qiáng)度不小于500 MPa的熱軋帶肋鋼筋[4]，其中E是“地震”英文(Earthquake)的首字母縮寫(xiě)，在GB/T 1499.2-2018中規(guī)定鋼筋反向彎曲試驗(yàn)作為帶E鋼筋牌號(hào)的常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目。鋼筋反彎試驗(yàn)是指先將測(cè)試鋼筋正向彎曲90°，把將正彎曲后的試樣在100±10 ℃溫度下保溫不小于30 min，經(jīng)自然冷卻后再反向彎曲20°(當(dāng)供貨方能保證鋼筋經(jīng)人工時(shí)效后的反向彎曲性能時(shí)，正向彎曲后的試樣亦可在室溫下進(jìn)行反向彎曲)，鋼筋受彎曲部位的表面不得產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂[5]。

某鋼廠生產(chǎn)的直徑為50 mm的HRB500E鋼筋在進(jìn)行加嚴(yán)反彎試驗(yàn)(正向彎曲90°，不經(jīng)過(guò)熱處理，反向彎曲30°)時(shí)發(fā)生部分試樣斷裂現(xiàn)象，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)終軋溫度進(jìn)行調(diào)整，反彎斷裂現(xiàn)象消失，進(jìn)一步研究斷裂試樣和合格試樣的區(qū)別，得出軋制溫度對(duì)抗震鋼筋反彎性能的影響較大。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選用相同爐號(hào)軋制溫度不同的Φ50 mm HRB500E鋼筋作為研究對(duì)象，化學(xué)成分如表1所示。斷裂的試樣為1#試樣，合格的試樣為2#試樣，兩組試樣的軋制前的加熱工藝相同， 開(kāi)軋溫度和終軋溫度不同，軋制溫度如表2 所示，軋后空冷。

表1 HRB500E鋼的化學(xué)成分/%

表2 HRB500E鋼的軋制工藝

1.2 試驗(yàn)方法

使用YJM-50彎曲試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同軋制工藝的試樣進(jìn)行反彎試驗(yàn)，對(duì)斷裂的1#試樣進(jìn)行宏觀拍照，使用SIGMA300掃描電鏡對(duì)1#試樣的斷口的斷裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)進(jìn)行觀察，分析斷裂類(lèi)型；再將1#試樣的斷口沿?cái)嗔言?、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)縱向剖開(kāi)，并使用Axio Imager M2m蔡司金相顯微鏡進(jìn)行觀察，分析斷裂過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展情況。取1#試樣和2#試樣的未變形段，橫向切開(kāi)，使用金相顯微鏡觀察組織，并對(duì)比不同軋制溫度HRB500E鋼的組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 斷口相貌分析

Φ50 mm HRB500E鋼筋進(jìn)行反彎試驗(yàn)時(shí)，先正彎90°，彎曲過(guò)程的內(nèi)弧受壓應(yīng)力，外弧面受拉應(yīng)力，再反向彎曲30°時(shí)，受壓應(yīng)力的內(nèi)弧面變?yōu)槭芾瓚?yīng)力，應(yīng)力的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致試驗(yàn)的HRB500E鋼筋的內(nèi)弧面易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂現(xiàn)象。

圖1(a)為Φ50 mm HRB500E鋼筋宏觀斷口的俯視圖，斷裂過(guò)程是由試樣的表面開(kāi)始、擴(kuò)展直至發(fā)生完全斷裂，斷裂源在試樣反彎試驗(yàn)的內(nèi)弧面的表下，斷裂源所占斷口的面積較小，擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)所占斷口的面積較大，試樣的斷口變形量較小，由此可知，試樣在反彎試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了脆斷。由圖1(b)可知，斷裂過(guò)程的斷裂源，正對(duì)鋼筋的橫肋的根部，由于熱軋鋼筋橫肋的存在，鋼筋的橫截面會(huì)周期性的發(fā)生變化，且橫肋凸出于鋼筋圓形截面，在反彎試驗(yàn)的正彎時(shí)，橫肋發(fā)生變形較小，橫肋的根部發(fā)生變形較大，在進(jìn)行反向彎曲30°時(shí)，橫肋的根部仍然為受力的集中區(qū)域，以橫肋根部為裂紋源的反彎斷裂現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。

圖1 Φ50 mm HRB500E鋼筋宏觀斷口形貌

Φ50 mm HRB500E鋼筋的斷口由三部分組成，分別為斷裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，使用SIGMA300掃描電鏡對(duì)三個(gè)區(qū)域分別觀察。圖2(a)和(b)為Φ50 mm HRB500E鋼筋斷裂源的斷口形貌，圖2(b)為圖2(a)中的矩形框內(nèi)的放大的斷口形貌。由圖2(b)可知斷裂源處的斷裂模式為準(zhǔn)解理斷裂，在小斷裂面上存在河流花樣，但在小斷面之間有撕裂嶺；準(zhǔn)解理裂紋的擴(kuò)展一般是在已經(jīng)發(fā)生一定塑性變形的晶粒中進(jìn)行[6]，Φ50 mm HRB500E鋼筋在反彎試驗(yàn)過(guò)程中，先正彎90°，使鋼筋的彎曲內(nèi)弧面發(fā)生擠壓變形，再進(jìn)行反彎30°時(shí)，在試驗(yàn)鋼筋橫肋的根部的臨近區(qū)域，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，形成的準(zhǔn)解理的斷裂形貌。圖2(c)和(d)為Φ50 mm HRB500E鋼筋擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌，圖2(d)為圖2(c)局部區(qū)域放大的斷口形貌。由圖2(d)可知擴(kuò)展區(qū)的斷口主要為解理斷口，具有明顯的河流花樣和扇形花樣的特征，但在局部的區(qū)域仍然有撕裂嶺的存在，和圖2(b)相比，擴(kuò)展區(qū)斷口的解理面較大，撕裂嶺較少，有扇形花樣，這表明在裂紋的擴(kuò)展時(shí)，速度較快。圖2(e)和(f)為Φ50 mm HRB500E鋼筋瞬斷區(qū)的斷口形貌，試驗(yàn)鋼筋的瞬斷區(qū)較小，斷裂形貌為剪切韌窩，在裂紋擴(kuò)展的末端，試樣受到切應(yīng)力的作用，形成拋物線或橢圓狀的韌窩。

2.2 裂紋擴(kuò)展過(guò)程分析

將試驗(yàn)鋼筋的斷口沿?cái)嗔言?、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)縱向剖開(kāi)，使用金相鑲嵌粉進(jìn)行鑲嵌后，使用Axio Imager M2m蔡司金相顯微鏡觀察縱向剖開(kāi)面，并研究裂紋在每個(gè)區(qū)域的擴(kuò)展情況。

圖3(a)為Φ50 mm HRB500E鋼筋斷裂源處斷口縱剖面的顯微組織，試驗(yàn)鋼筋進(jìn)行反彎試驗(yàn)時(shí)，先正彎90°，這使試驗(yàn)鋼的彎曲的內(nèi)弧面受壓應(yīng)力，使斷裂源區(qū)域的組織發(fā)生變形；圖3(b)為圖3(a)矩形框內(nèi)的組織的進(jìn)一步放大，試驗(yàn)鋼筋的組織為鐵素體+珠光體，經(jīng)過(guò)反彎試驗(yàn)后，鐵素體和珠光體組織都被擠壓成帶狀組織，變形量較大，由于該區(qū)域的組織發(fā)生了較大的塑性變形，裂紋在發(fā)生塑性變形的晶粒中擴(kuò)展形成了準(zhǔn)解理的斷裂形貌，裂紋的擴(kuò)展方向和擠壓形成的變形帶狀組的方向相同，且為穿晶斷裂。圖3(c)為試驗(yàn)鋼筋的擴(kuò)展區(qū)斷口縱剖面的顯微組織，裂紋在該區(qū)域擴(kuò)展時(shí)，多個(gè)解理裂紋會(huì)同時(shí)存在，相互平行的裂紋逐漸擴(kuò)展，并通過(guò)二次解理形成解理臺(tái)階，也實(shí)現(xiàn)了主裂紋在不同的解理面之間的轉(zhuǎn)移，主裂紋在發(fā)生解理面的轉(zhuǎn)移時(shí)，原解理面的裂紋還會(huì)繼續(xù)測(cè)擴(kuò)展，形成二次裂紋，如圖3(d)所示，主裂紋和二次裂紋在試驗(yàn)鋼筋中的擴(kuò)展方式是相同的都為穿晶斷裂，且裂紋既穿過(guò)鐵素體也穿過(guò)珠光體。圖3(e)為試驗(yàn)鋼筋的瞬斷區(qū)斷口縱剖面的顯微組織，瞬斷區(qū)的斷裂方式仍為穿晶斷裂，裂紋擴(kuò)展較平直；由圖3(f)可知，斷口處的組織有明顯的變形，但變形的區(qū)域很淺，只有幾個(gè)晶粒的深度，這也表明試驗(yàn)鋼筋在斷裂的末端，受到的是剪切應(yīng)力的作用。

2.3 不同軋制溫度試樣組織和硬度變化

圖4為Φ50 mm HRB500E鋼筋不同軋制溫度橫肋根部顯微組織。分別取兩組試樣的橫截面進(jìn)行觀察，圖4(a)為1#試樣的橫肋根部的組織，圖4(b)為其局部區(qū)域的放大，由金相照片可知，1#試樣的組織主要為鐵素體+珠光體，在局部區(qū)域有魏氏組織；其魏氏組織是由針狀鐵素體+珠光體團(tuán)+少量的貝氏體組成。對(duì)1#試樣的鐵素體和珠光體的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，鐵素體晶粒的平均尺寸為14.8 μm,局部區(qū)域的珠光體團(tuán)尺寸大于50 μm，鐵素體的含量61.7%。由圖4(c)和(d)可知，2#試樣的組織鐵素體+珠光體，與1#試樣相比，2#試樣的組織更加均勻細(xì)小，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，鐵素體晶粒的平均尺寸為10.3 μm小于1#試樣的14.8 μm，珠光體團(tuán)的尺寸均小于30 μm，鐵素體的含量為70.1%，高于1#試樣，且無(wú)魏氏組織存在，塑韌性較好，在實(shí)際生產(chǎn)的反彎試驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)斷裂現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 Φ50 mm HRB500E鋼筋不同軋制溫度橫肋根部顯微組織

從兩者的對(duì)比結(jié)果可知，當(dāng)其它工藝相同時(shí)，較高的軋制溫度，鐵素體和珠光體團(tuán)的晶粒尺寸較粗大，鐵素體的含量減少，且易生成魏氏組織，使試樣的反彎性能下降。不同的軋制溫度，試樣軋制后的奧氏體的晶粒不同。較高的軋制溫度，軋后的奧氏體的晶粒較粗大，在向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)，形核點(diǎn)較少轉(zhuǎn)變后的鐵素體的晶粒較粗大；由于在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，鐵素體先析出長(zhǎng)大，碳元素向未轉(zhuǎn)變的奧氏體富集，在較慢的冷卻速度下，有魏氏組織生成，且在較大的珠光體團(tuán)中間有少量的貝氏體組織。

圖5為1#和2#試樣的從橫肋根部向試樣心部的硬度變化曲線，隨著距離邊部的距離增大，1#試樣的維氏硬度先快速的增大，又逐漸的減小，最終于2#試樣的硬度趨于一致，這表明在1#試樣的近表面的組織和2#試樣的組織不同，隨著距離邊部的距離增大，組織逐漸相同。結(jié)合圖4的組織分析，1#試樣的硬度升高，是由于近表處，有含有貝氏體的魏氏組織生成，經(jīng)過(guò)反彎試驗(yàn)的加工硬化，會(huì)使該區(qū)域的硬度進(jìn)一步的升高，脆性增大，在反向彎曲30°時(shí)，產(chǎn)生裂紋并發(fā)生斷裂。

圖5 Φ50 mm HRB500E鋼筋不同軋制溫度的維氏硬度

3 結(jié) 論

(1)軋制溫度影響Φ50 mm HRB500E鋼筋反彎性能，隨著軋制溫度的降低，鐵素體和珠光體團(tuán)的尺寸在減小反彎性能提高。

(2)Φ50 mm HRB500E鋼筋反彎試驗(yàn)的裂紋源在橫肋根部，斷裂源處為準(zhǔn)解理斷裂，擴(kuò)展區(qū)為解理斷裂，瞬斷區(qū)為塑性斷裂，形貌為剪切韌窩。

(3)Φ50 mm HRB500E鋼筋近表處的含有貝氏體的粗大魏氏組織，使其硬度增加，反彎性能降低。