HRB400熱軋鋼筋剪切開裂原因分析

張盛華， 李 翔， 彭 磊

(中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇 常州 213011)

引 言

建筑及基礎設施建設需要大量的建筑鋼材，近年來，中國建筑業(yè)及鋼鐵產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，隨著人民日益增長的物質(zhì)文化需求，對建筑用鋼的各方面性能的要求也越來越高[1-3]。熱軋鋼筋(即螺紋鋼)是建筑行業(yè)主要應用的鋼材，螺紋鋼在實際使用環(huán)境中主要是承受拉應力，要求具有一定的綜合力學性能、可彎曲變形特性及加工焊接性，并且對表面質(zhì)量也有明確的規(guī)定，要求表面不得有裂縫、結疤和折疊，不得存在使用上的有害缺陷等[4-6]。某批次Φ25 mmHRB400熱軋鋼筋在剪切時發(fā)生開裂現(xiàn)象。本文通過化學成分分析、氣體含量分析、金相檢驗及硬度檢驗等方法對開裂原因進行分析。

1 理化檢驗

1.1 HRB400螺紋鋼剪切開裂宏觀形貌

HRB400鋼螺紋鋼剪切開裂樣宏觀形貌如圖1所示，試樣表面存在大量可能因擠壓產(chǎn)生的麻坑狀花紋，開裂螺紋鋼為Φ25 mm直條螺紋鋼，用戶在剪切完后發(fā)現(xiàn)試樣剪切斷面上存在開裂現(xiàn)象，其中編號為1#、2#螺紋鋼試樣為邊緣開裂，3#螺紋鋼試樣未開裂，4#螺紋鋼試樣為心部開裂，所有試樣剪切斷面均為銀亮色，無發(fā)藍現(xiàn)象，剪切斷面上產(chǎn)生的裂紋剛直有力，為典型的應力開裂裂紋，如圖2所示。

圖1 HRB400螺紋鋼剪切開裂試樣宏觀形貌

圖2 HRB400螺紋鋼剪切斷面邊緣裂紋與心部裂紋宏觀形貌

1.2 化學成分與氣體含量分析

HRB400螺紋鋼試樣使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示，可見螺紋鋼化學成分符合《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標準的要求，且未加入Ti、Nb、V細化晶粒的元素。使用ON836型氮氧分析儀進行氣體含量分析，結果如表1所示，可見1#、2#與4#螺紋鋼N含量相比《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》中的標準值有所偏高。

表1 HRB400螺紋鋼試樣的化學成分與氣體含量分析結果

1.3 金相檢驗

取1#、2#和4#螺紋鋼開裂試樣剪切斷面進行磨制拋光并腐蝕(如圖3所示)后金相檢驗，1#試樣剪切開裂裂紋深約13.72 mm，裂紋剛直有力，裂紋開口處邊緣有輕微脫碳現(xiàn)象，裂紋其它部位兩側無脫碳為穿晶開裂，裂紋邊緣有明顯的組織流變形貌，說明此處受到了較大剪切力產(chǎn)生了組織流變；試樣表面還存在其他裂紋缺陷，分別深約1.36 mm和1.74 mm，兩條裂紋存在明顯的脫碳現(xiàn)象，如圖3-6所示。

圖3 1#、2#和4#螺紋鋼開裂試樣(邊緣箭頭指處存在明顯亮環(huán))

圖4 1#試樣剪切開裂裂紋開口

圖5 1#試樣剪切開裂裂紋底部

圖6 1#試樣表面發(fā)現(xiàn)的其它裂紋

2#試樣剪切開裂裂紋深約12.36 mm，裂紋剛直有力，裂紋開口處邊緣有明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋其它部位兩側無脫碳為穿晶開裂，裂紋邊緣有明顯的組織流變形貌，說明此處受到了較大剪切力產(chǎn)生了組織流變；試樣表面還存在其他裂紋缺陷，深約1.13 mm，裂紋邊緣存在明顯的脫碳現(xiàn)象，如圖7-9所示。

圖7 2#試樣剪切開裂裂紋開口

圖8 2#試樣剪切開裂裂紋底部

圖9 2#試樣表面發(fā)現(xiàn)的其它裂紋

4#試樣剪切開裂裂紋存在于剪切斷面心部，裂紋截面長約8 mm，裂紋開口較大，且裂紋邊緣無脫碳現(xiàn)象，取心部開裂試樣的另一端磨制后發(fā)現(xiàn)試樣心部存在細小裂紋缺陷，裂紋周圍無脫碳現(xiàn)象，裂紋為為穿晶開裂，如圖10-11所示。

圖10 4#試樣剪切心部開裂裂紋

圖11 4#試樣另一端心部裂紋

1.4 硬度檢驗

取1#試樣進行布氏硬度測試發(fā)現(xiàn)邊緣亮環(huán)處布氏硬度為212(HBW 2.5/187.5)，基體布氏硬度為249(HBW 2.5/187.5)。

2 分析與討論

(1)宏觀檢驗分析表明，開裂螺紋鋼為Φ25 mm直條螺紋鋼，用戶在剪切完后發(fā)現(xiàn)試樣剪切斷面上存在開裂現(xiàn)象，其中編號為1#、2#螺紋鋼試樣為邊緣開裂，3#螺紋鋼試樣未開裂，4#螺紋鋼試樣為心部開裂，所有試樣剪切斷面均為銀亮色，無發(fā)藍現(xiàn)象，說明剪切溫度較低；剪切斷面上產(chǎn)生的裂紋剛直有力，為典型的應力開裂裂紋，說明此處受到較大的剪切應力作用。

(2)成分氣體含量分析表明，所取4支HRB400螺紋鋼試樣成分符合《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標準的要求，但沒有發(fā)現(xiàn)含有螺紋鋼常見的Ti、Nb、V、Al等細化晶粒元素；氣體含量中N元素超過標準上限要求，較高含量的N元素如果能與Ti、Al等元素結合形成氮化物，則能降低形核功，提高形核率，最終起到細化晶粒作用，進而能提高螺紋鋼的強度，但所取4支HRB400螺紋鋼試樣中均不含有Ti、Al等易與N相結合形成氮化物的元素，所以如此高含量的N元素可能是以游離態(tài)存在于鋼材中，游離態(tài)N元素含量過高會導致鋼材的冷變形能力降低，脆性增加(即所謂的冷加工脆性)，從而使鋼材冷剪切加工時易產(chǎn)生開裂。

(3)金相分析表面，1#和2#試樣剪切開裂裂紋邊緣有明顯的組織流變形貌，說明此處受到了較大剪切力的影響；且裂紋開口處邊緣存在脫碳現(xiàn)象，裂紋其它部位兩側無脫碳且為穿晶開裂，裂紋開口處發(fā)現(xiàn)明顯脫碳現(xiàn)象說明試樣表面的裂紋開口處剪切前為一條原始裂紋，且確實在試樣其它部位表面發(fā)現(xiàn)存在較多明顯脫碳的原始裂紋，所以螺紋鋼試樣剪切時受剪切力的作用以表面原始裂紋為開裂源產(chǎn)生了應力開裂并擴展。4#試樣剪切開裂裂紋存在于剪切斷面心部，裂紋開口較大，且裂紋邊緣無脫碳現(xiàn)象，取心部開裂試樣的另一端磨制后發(fā)現(xiàn)試樣心部存在細小裂紋缺陷，裂紋周圍無脫碳現(xiàn)象，裂紋為穿晶開裂，說明4#試樣內(nèi)部本身就存在細小的應力裂紋，在受到剪切力的時候細小裂紋擴展導致心部開裂。

綜上所述，造成HRB400螺紋鋼剪切開裂的原因可能與游離態(tài)N元素含量過高，剪切溫度較低、試樣剪切前表面及內(nèi)部存在原始裂紋等因素有關。

3 結論

HRB400螺紋鋼剪切開裂的原因可能與游離態(tài)N元素含量過高，剪切溫度較低、試樣剪切前表面及內(nèi)部存在原始裂紋等因素有關。