熱軋帶肋鋼筋HRB400E折彎斷裂原因分析

供稿|王婷婷，吳東明，張群，左海霞，蘇崇濤 / WANG Ting-ting, WU Dong-ming, ZHANG Qun,ZUO Hai-xia, SU Chong-tao

作者單位：1. 遼寧冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司制造部，遼寧 本溪 117000；3. 本鋼板材技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀某建筑工地現(xiàn)場(chǎng)使用32 mm熱軋帶肋鋼筋HRB400E進(jìn)行90°折彎時(shí)發(fā)生斷裂。通過對(duì)斷裂試樣的光譜分析、物理性能檢驗(yàn)、宏觀斷口掃描、金相組織檢驗(yàn)、夾雜物評(píng)級(jí)等方式分析了斷裂原因，主要是由于硫化物及硅酸鹽夾雜含量過高，導(dǎo)致橫肋根部應(yīng)力過于集中引起折彎斷裂。通過控制夾雜物含量，加強(qiáng)對(duì)軋輥進(jìn)行倒角處理，避免了此類斷裂再次發(fā)生。

熱軋帶肋鋼筋(簡(jiǎn)稱螺紋鋼)是鋼鐵行業(yè)重要的組成部分，主要應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)建筑、水利工程、交通設(shè)施(橋梁、鐵路)、港口等諸多領(lǐng)域。彎曲性能作為物理性能檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，更是螺紋鋼的重要的質(zhì)量指標(biāo)。鋼筋在建筑施工過程中通常會(huì)彎折90°錨固使用，一旦斷裂將給建筑物帶來嚴(yán)重安全隱患。

近期對(duì)某工地反饋使用32 mm螺紋鋼HRB400E進(jìn)行90°折彎時(shí)部分鋼筋斷裂，為查清斷裂原因，對(duì)工地提供的試樣進(jìn)行了化學(xué)成分分析、物理性能實(shí)驗(yàn)、斷口分析及金相組織分析。找到了該批次螺紋鋼引起折彎斷裂的原因[1-4]。

宏觀形貌

斷裂試樣的整體形貌、鋼筋彎曲內(nèi)側(cè)形貌見圖1和圖2，圖2標(biāo)記3處為斷裂部位，其相鄰橫肋根部?jī)蓚?cè)均存在肉眼可見裂紋。

圖1 試樣整體形貌

圖2 鋼筋內(nèi)側(cè)形貌

生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)HRB400E的工藝流程為：高爐鐵水→(鐵水預(yù)處理)→轉(zhuǎn)爐→鋼包底吹氬→連鑄→棒材生產(chǎn)線→加熱爐加熱→軋制→冷床冷卻→定尺剪切→取樣檢驗(yàn)→打捆→吊運(yùn)入庫。經(jīng)追溯生產(chǎn)工藝，該批次的冶煉、連鑄、軋鋼工藝均未發(fā)現(xiàn)異常。

理化分析

化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂試樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。斷裂試樣的成分符合GB/T1499.2—2018鋼筋混凝土用鋼第2部分熱軋帶肋鋼筋中的要求。

表1 斷裂試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

力學(xué)性能

對(duì)斷裂試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。斷裂試樣的各項(xiàng)物理性能均符合GB/T1499.2—2018鋼筋混凝土用鋼第2部分熱軋帶肋鋼筋中的要求。取斷裂試樣進(jìn)行了正彎實(shí)驗(yàn)及反彎實(shí)驗(yàn)，彎曲部位的內(nèi)外側(cè)均未見裂紋。圖3為正彎180°實(shí)驗(yàn)，圖4為先正彎90°再反彎20°實(shí)驗(yàn)。

圖3 斷裂試樣正彎 180°

圖4 斷裂試樣反彎實(shí)驗(yàn)

表2 HRB400E斷裂試樣的力學(xué)性能

氣體檢驗(yàn)

對(duì)斷裂試樣進(jìn)行O和N含量檢驗(yàn)，O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0068%，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0092%。檢驗(yàn)結(jié)果與正常批次試樣相差不大，無異常偏高。

斷口電鏡掃描

靠近斷口的裂紋和斷口形貌見圖5和圖6。斷裂試樣經(jīng)超聲波酒精清洗后在掃描電鏡下進(jìn)行斷口觀察分析。

圖5 靠近斷口的裂紋形貌

圖5 斷口呈平直狀，無明顯縮頸過程，是典型的脆性斷裂。圖6標(biāo)記1區(qū)域?yàn)閺澢课煌鈧?cè)，為解理斷裂特征；標(biāo)記3區(qū)域?yàn)閺澢课粌?nèi)側(cè)，為韌窩特征；裂紋均發(fā)生在橫肋根部；標(biāo)記為2、3區(qū)域存在肉眼可見的銹蝕情況。對(duì)圖6標(biāo)記為1、2、3的部位進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果見圖7。

圖6 斷口形貌

圖7 斷裂試樣的夾雜物形貌

通過能譜分析結(jié)果，可見標(biāo)記2、3區(qū)域存在大量以O(shè)、Si、Ca等元素為主的非金屬物質(zhì)。這些非金屬夾雜物往往會(huì)破壞鋼體的連續(xù)性，降低鋼筋的塑性[5-7]。同時(shí)橫肋根部存在應(yīng)力集中，是鋼筋最脆弱的部位，一旦基體內(nèi)部非金屬夾雜物含量過高，極易在該部位發(fā)生彎曲斷裂。

夾雜物及金相組織

對(duì)斷裂試樣斷口部位進(jìn)行縱切后觀察裂紋附近組織及夾雜物，F(xiàn)+P組織為帶狀2.5級(jí)，非金屬夾雜物為A2.5，B1.5，C2.5e，D1.0級(jí)。

斷裂試樣的夾雜物見圖8，以分布在裂紋附近的硫化物和鋼基體普遍存在的大尺寸硅酸鹽夾雜為主，硅酸鹽夾雜寬度約為60 μm，超過視場(chǎng)長(zhǎng)度，夾雜物的總長(zhǎng)度為1380 μm。

圖8 非金屬夾雜物

鋼筋基體中硅酸鹽夾雜的分布呈條帶狀分布，這類硅酸鹽夾雜廣泛存在于裂紋處。鋼中普遍存在的條帶狀硅酸鹽夾雜是引發(fā)冷彎裂的重要裂紋源, 是引起折彎斷裂的重要原因之一。尤其是那些超寬的板條狀硅酸鹽夾雜, 更是會(huì)對(duì)冷彎性能造成致命影響。非金屬夾雜物迫使應(yīng)力分布產(chǎn)生不均，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，夾雜物周圍的鋼筋基體應(yīng)力急劇加大，導(dǎo)致非金屬夾雜物破碎而產(chǎn)生空隙，破壞了鋼筋基體的連續(xù)性。斷裂試樣的橫肋根部存在大量的硫化物夾雜，其熱膨脹系數(shù)大于鋼，冷卻時(shí)熱膨脹系數(shù)大的夾雜物周圍會(huì)產(chǎn)生空洞，此部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。硅酸鹽夾雜的熱膨脹系數(shù)比鋼小，冷卻過程中，在夾雜物周圍的基體會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)材料進(jìn)行塑性加工時(shí)，容易變形的金屬在難以變形的非金屬夾雜物周圍流動(dòng)，產(chǎn)生的張力使金屬-非金屬夾雜物界面斷裂，形成空隙，這種空隙即為裂紋的起源地。

斷裂試樣斷口及心部的顯微組織為鐵素體和珠光體，見圖9。斷裂試樣帶狀組織評(píng)級(jí)2.5，由于夾雜物含量較多，經(jīng)熱軋加工后使夾雜物呈流線分布，冷卻時(shí)先共析鐵素體和珠光體呈帶狀分布，最終形成帶狀組織。導(dǎo)致鋼筋的機(jī)械性能呈現(xiàn)方向性，垂直于帶狀組織方向上的強(qiáng)度及塑性低于平行帶狀組織方向。從圖10中標(biāo)記為a、b、c三處的裂紋部位顯微組織可以看出，橫肋根部的裂紋幾乎是沿著垂直帶狀組織延伸[8-10]。

圖9 斷裂試樣顯微組織

圖10 裂紋部位顯微組織

措施與建議

通過加強(qiáng)煉鋼轉(zhuǎn)爐崗位操作規(guī)范及軋鋼軋輥倒角工作，后續(xù)市場(chǎng)無折彎斷裂反饋發(fā)生：

(1)鋼筋基體中硫化物及硅酸鹽夾雜過多，是導(dǎo)致該批次HRB400E折彎斷裂的主要原因。由于煉鋼終點(diǎn)溫度控制不到位，點(diǎn)吹后鋼水氧含量偏高，脫氧后形成脫氧產(chǎn)物偏多，且吹氬效果不良，鋼水內(nèi)夾雜物無法有效上浮，存于鋼液中。以及澆注過程液面起伏較大，造成大顆粒夾雜卷入。建議煉鋼轉(zhuǎn)爐崗位強(qiáng)化操作，提高一次倒?fàn)t率，減少點(diǎn)吹爐次，降低鋼水氧含量，對(duì)點(diǎn)吹爐次補(bǔ)加脫氧劑強(qiáng)化脫氧效果，同時(shí)保障爐后吹氬時(shí)間及吹氬效果，促使夾雜物充分上浮。出鋼過程要把握好擋渣球投入時(shí)機(jī)，嚴(yán)禁出鋼下渣情況發(fā)生，提高鋼水潔凈程度。

(2)橫肋根部沿著軋制方向上往往存在一定的殘余拉應(yīng)力，前滑對(duì)橫肋的刮擦力越大，導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇。盡管國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲時(shí)的彎曲壓頭直徑有明確規(guī)定，32 mm鋼筋的彎曲壓頭直徑為5d，實(shí)際建筑工地往往達(dá)不到這個(gè)要求，更加加劇了折彎斷裂的幾率。建議軋鋼加強(qiáng)軋輥橫肋α夾角的倒角作業(yè)，避免應(yīng)力過于集中導(dǎo)致折彎斷裂的發(fā)生。