淺析軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋高溫力學(xué)性能

成龍，王洪禮

（新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

1 實驗方案

1.1 實驗材料

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，選取具有代表性的同一批生產(chǎn)的軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋，規(guī)格型號為HRB400E，φ16mm，通過測試，化學(xué)成分(C、S、Si、Mn、P)符合GB/T1499．2-2007標(biāo)準(zhǔn)的要求，微合金元素（Nb、V、Ti）含量低。

1.2 實驗設(shè)備

鋼筋的高溫試驗采用長春試驗機(jī)研究有限公司購置的YNS-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)對試件加載,其最大加載能力為1000kN，控制精度為±1%，試驗夾頭為自行研制的高溫拉伸力學(xué)性能檢測專用夾頭，升溫設(shè)備采用深圳三思試驗設(shè)備有限公司生設(shè)計并制作的圓柱形高溫加熱爐，該加熱爐采用微電腦控制系統(tǒng)，爐膛外徑380mm，爐膛內(nèi)直徑80mm，爐膛高度500mm，恒溫區(qū)長度350mm，最高升溫1200℃，控制精度為0．5℃，對試樣上、中、下三段分別測溫，確保試件溫度均勻。

1.3 實驗方法

試驗采用恒溫加載試驗方法，將全截面熱軋帶肋鋼筋在無應(yīng)力狀態(tài)下加熱到某一溫度，恒溫一段時間后開始加載。高溫試驗前先進(jìn)行鋼材的常溫拉伸試驗，以獲得試驗鋼材在常溫下的強(qiáng)度。由于常溫試驗的離散性不太，只進(jìn)行2根試件試驗。高溫試驗分試驗溫度分別選取200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃，11個溫度水平進(jìn)行，每種溫度下測試2個試件，若結(jié)果吻合較好，則取其平均值作為代表值，若差別較大，則進(jìn)行第3個試件，取吻合較好的2個結(jié)果的平均值作為代表值。具體試驗過程為：先將未經(jīng)加工全截面熱軋帶肋鋼筋試樣置于筒式高溫爐中，夾緊試驗機(jī)上夾頭，固定試樣上端，下端自由；用耐火石棉線封堵上下爐口與試件間的縫隙。根據(jù)

規(guī)范規(guī)定，加熱速率一般取為5～50℃/min，本試驗中取15℃/min升溫速率加熱試樣到預(yù)先指定的溫度，恒溫15min，以使試樣溫度均勻。最后啟動試驗機(jī)，以0．5kN/s的速率加載進(jìn)行拉伸直至斷裂。

2 實驗結(jié)果

軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋在室溫及200～1100℃試驗溫度范圍內(nèi)，高溫拉伸試驗結(jié)果見表1。

表1 高溫拉伸試驗結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 表觀特征

在不同的試驗溫度下，11組鋼筋試樣的表面顏色、斷口以及頸縮現(xiàn)象發(fā)生不同的變化,隨著溫度的升高，試樣的表面顏色逐漸加深，200℃以下時，表面顏色基本上沒變化，與常溫相似，300℃時顏色呈淺黃色，400℃時由淺黃色變?yōu)樯钏{(lán)色，500℃到600℃時表面顏色由藍(lán)色逐漸加深至略帶微紅的淺黑色，并且600℃時試件表面出現(xiàn)了掉皮現(xiàn)象，700℃以上時表面明顯蛻皮；試件發(fā)生破壞的位置由低溫區(qū)轉(zhuǎn)向高溫區(qū)，頸縮明顯，且區(qū)域逐漸變長，斷口在25～300℃時為銀色有金屬光澤；400℃時顯藍(lán)靛色，500℃開始發(fā)黑，到600℃時斷口無金屬光澤，破壞時兩截面呈針狀且非常鋒利；斷裂聲在25～400℃時為脆響，到500℃時聲音變?nèi)酰?00℃以上發(fā)生破壞時沒有聲音。

3.2 高溫?zé)釓?qiáng)度

通常情況下，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋高溫強(qiáng)度指標(biāo)主要包括兩個參數(shù)：高溫屈服強(qiáng)度和高溫極限強(qiáng)度。當(dāng)軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋承受外力不斷增大時開始產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力稱之為屈服強(qiáng)度，它是衡量材料是否容易產(chǎn)生塑性變形的重要指標(biāo)。極限強(qiáng)度是指材料抵抗均勻塑性變形向非均勻形變轉(zhuǎn)換時的形變應(yīng)力，常稱為斷裂極限。是判定是否在一定外力下產(chǎn)生破壞的重要依據(jù)。

高溫下鋼筋沒有明顯的屈服平臺，所以沒有明確的屈服強(qiáng)度，一般情況下，鋼材高溫下的屈服強(qiáng)度是根據(jù)殘余應(yīng)變或一定力學(xué)應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力確定的，目前國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文用“切線交點(diǎn)法”得出對軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋在不同溫度下的屈服強(qiáng)度。

在25～1100℃時，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋高溫強(qiáng)度變化趨勢分為三段：①在25～400℃段，隨著溫度的升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別從25℃時的460MPa、617MPa到 400℃時的 415MPa、570MPa，降低百分率分別為9．78%、7．61%，波動較小，鋼筋試樣在這段溫度范圍內(nèi)，強(qiáng)度有升高趨勢，主要原因在于當(dāng)溫度在200～300℃時，鋼材呈明顯“藍(lán)脆”現(xiàn)象，此時隨溫度的升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所增加，斷后伸長率和斷面收縮率保持基本不變。②在400～800℃段，隨著溫度的繼續(xù)升高，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度急速下降；在400～800℃段，隨著溫度的升高，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低，分別從400℃時的415MPa、570MPa降低800℃時的60MPa、85MPa，降低百分率分別為85．54%、85．08%，波動較大，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低趨勢，即溫度越高，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋的強(qiáng)度指標(biāo)越低，這是因為溫度的升高，原子內(nèi)部能量增加，使得原子運(yùn)動加劇，從而降低了金屬原子間的結(jié)力，致使軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋的強(qiáng)度會隨著溫度的升高而降低。③在900～1100℃段，隨著溫度的繼續(xù)升高，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度下降平緩。主要原因在這一溫度范圍內(nèi)，鋼筋有一個再結(jié)晶的過程，材料內(nèi)部組織發(fā)生改變，以至于不能抵制加載對材料結(jié)構(gòu)的破壞而導(dǎo)致材料喪失承載能力，從而導(dǎo)致鋼筋處于一種穩(wěn)態(tài)流變狀態(tài)。

3.3 高溫?zé)崴苄?/h3>

軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋的熱塑性是指鋼筋在高溫下的塑性，是材料在外力作用下發(fā)生永久變形，而不破壞其完整性的能力。軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋高溫塑性指標(biāo)包括斷后伸長率和斷面收縮率。金屬塑性變形的實質(zhì)是由于外力在金屬內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力，迫使組成金屬的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移，同時晶粒間也產(chǎn)生滑移與移動。因此，金屬塑性的好壞既取決于金屬本身的晶格類型、化學(xué)成分及金相組織，又取決于變形時的外部條件。

圖1 斷后伸長率和斷面收縮率隨溫度變化趨勢

由圖1可知，斷后伸長率和斷面收縮率反映材料性能基本相同，并且表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。隨著試驗溫度的升高，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋斷后伸長率從25℃的25．0%升高到800℃的60．0%，升高了58．33%，斷面收縮率從25℃的35．0%升高到800℃的80．0%，升高了56．25%，300℃前兩者波動較小，在300～800℃增長加快；隨著試驗溫度的繼續(xù)升高，斷后伸長率從800℃的60%降低到1100℃的23．0%，降低了61．66%，斷面收縮率從800℃的80．0%降低到1100℃的30．0%，降低了62．50%。所以，軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋斷后伸長率和斷面收縮率以800℃為界點(diǎn)，呈現(xiàn)兩種不同的趨勢：①界點(diǎn)之前隨著溫度升高，斷后伸長率和斷面收縮率升高，主要是因為隨著溫度升高，內(nèi)應(yīng)力得到了降低；②界點(diǎn)之后隨著溫度升高，斷后伸長率和斷面收縮率降低，說明其塑性降低，是溫度升高引起的晶粒長大和部分晶界的熔化所引起的。

4 結(jié)語

通過對軋后余熱處理熱軋帶肋鋼筋高溫下高溫力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究 ,得到了如下結(jié)論：（1）在400℃之前屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率變化較小。（2）在200～400℃時，鋼筋呈現(xiàn)“藍(lán)脆”現(xiàn)象，超過400℃以后材料屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨溫度升高開始降低。（3）鋼筋具有良好的熱塑性，斷后伸長率和斷面收縮率表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，800℃后斷后伸長率和斷面收縮率開始急速降。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳偉．20MnSiV 熱軋帶肋鋼筋高溫力學(xué)性能分析[J]．攀鋼技術(shù)，2015，38(4):13-15．

[2]肖建莊等．500MPa細(xì)晶粒鋼筋高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[J]．建筑材料學(xué)報，2008，(6):276-278．

[3]許春富等．含微量鈮熱軋鋼筋高溫力學(xué)性能的研究[J]．中國稀土學(xué)報，2008，26(8):710-713．