摘 要:某公司生產(chǎn)的 HRB５００E高強(qiáng)度抗震鋼筋在冷彎試驗(yàn)中發(fā)生脆斷現(xiàn)象.利用直讀光譜 儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等分別對(duì)脆斷鋼筋的化學(xué)成分、顯微組織、斷口形貌及夾雜物成 分等進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.結(jié)果表明:鋼液氧化所產(chǎn)生的大量超長(zhǎng)、超寬硅酸鹽類夾雜物是導(dǎo)致該 HRB５００E高強(qiáng)度抗震鋼筋冷彎脆斷的主要原因. 

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)度抗震鋼筋;冷彎脆斷;硅酸鹽類夾雜物;失效分析 

中圖分類號(hào):TU５１１．３２;TG１４２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１８Ｇ０３

高強(qiáng)度抗震鋼筋的良好塑韌性、高強(qiáng)屈比、高屈 服強(qiáng)度可以最大限度地吸收地震能量,提高建筑物 的安全性[１].目前,雖然國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)出 了５００MPa級(jí)高強(qiáng)度抗震鋼筋,但對(duì)微合金化控軋 控冷工藝的研究還不夠深入,時(shí)常出現(xiàn)質(zhì)量缺陷. 為了達(dá)到５００ MPa的強(qiáng)度要求,國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)添 加的釩、氮合金量偏高,不僅增加了生產(chǎn)成本,而且 由于一味追求高強(qiáng)度,導(dǎo)致鋼筋帶狀組織嚴(yán)重、脆斷 缺陷增多,進(jìn)而強(qiáng)屈比和斷后伸長(zhǎng)率降低.

某公司近期生產(chǎn)的 HRB５００E高強(qiáng)度抗震鋼筋 中,出現(xiàn)個(gè)別規(guī)格為?２８mm 的抗震鋼筋在冷彎試 驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生橫向斷裂的現(xiàn)象.筆者主要利用直讀 光譜 儀、光 學(xué) 顯 微 鏡、掃 描 電 鏡 (SEM)、能 譜 儀 (EDS)等分別對(duì)冷彎脆斷鋼筋的化學(xué)成分、顯微組 織、斷口形貌以及夾雜物成分等進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析, 以查明其冷彎脆斷的主要原因.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 斷口宏觀分析

?。矀€(gè)?２８mm 的 HRB５００E鋼筋試樣在 GWＧ ５０B型鋼筋彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行冷彎試驗(yàn),其中一個(gè) 試樣出現(xiàn)冷彎脆斷現(xiàn)象,斷口形貌如圖１所示.可 以看出:開(kāi)裂源位于鋼筋表面一側(cè)橫肋的根部,開(kāi)裂 源部位斷口平齊;裂紋擴(kuò)展區(qū)呈放射狀,逆向指向裂 紋源,為典型的脆性斷口;另一側(cè)為瞬斷剪切唇,表 面呈纖維狀,為斷裂過(guò)程的最后階段[２]. 

１．２ 化學(xué)成分分析 

對(duì)該爐次熔煉樣及冷彎脆斷鋼筋取樣(脆斷試樣 化學(xué)成分分析取樣位置遠(yuǎn)離斷口)[３],使用 ARL３４６０ 直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表１,可見(jiàn)各元素含量均符合相關(guān)技術(shù)要求.

１．３ 金相分析 

在冷彎脆斷鋼筋斷口處截取橫截面試樣,磨制、 拋光后使用 GX７１光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察.拋光 態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)開(kāi)裂源部位的基體上存在大量塊 狀硅酸鹽類夾雜物,橫截面夾雜物的長(zhǎng)度方向顯示 的是夾雜物的寬度[４],如圖２所示. 

將開(kāi)裂源橫截面夾雜物部位做好標(biāo)記后,再磨 制開(kāi)裂源縱向截面到夾雜物部位,測(cè)量夾雜物長(zhǎng)度, 發(fā)現(xiàn)該部位存在大量超長(zhǎng)、超寬硅酸鹽類夾雜物:夾 雜物的最大寬度為５３μm,如圖２所示;夾雜物的總 長(zhǎng)度為１．１mm,如圖３所示. 

將磨制好的橫截面試樣用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸 酒精溶液侵蝕后再在光學(xué)顯微鏡下觀察.如圖４所 示,試樣 基 體 顯 微 組 織 為 均 勻 的 鐵 素 體 ＋ 珠 光 體[５Ｇ６],晶粒度級(jí)別為９．５級(jí),無(wú)異常組織缺陷.

１．４ 斷口微觀分析 

利用ZEISSSIGMA HD掃描電鏡(SEM)對(duì)冷 彎脆斷鋼筋斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),整個(gè)斷口基本為脆 性斷口,如圖５所示.其中,開(kāi)裂源位置斷口上分布 著較多的塊狀小亮點(diǎn),如圖６所示;使用 XＧMax５０ 能譜儀(EDS)分析可確認(rèn)這些塊狀物為硅酸鹽類夾 雜物,如圖７所示.

２ 綜合分析 

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:該冷彎脆斷鋼筋的 化學(xué)成分及對(duì)應(yīng)爐次鋼液的化學(xué)成分均符合相關(guān)技 術(shù)要求;顯微組織為均勻的鐵素體＋珠光體,無(wú)異常 組織特征,晶粒度級(jí)別為９．５級(jí),均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì) HRB５００E高強(qiáng)度抗震鋼筋的技術(shù)要求[７].

經(jīng)調(diào)研,該公司生產(chǎn)的該爐次使用開(kāi)澆爐,鋼液澆鑄溫度過(guò)高,造成了鋼液與空氣嚴(yán)重的二次氧化, 形成了大量的外來(lái)硅酸鹽類夾雜物[８],夾雜物未及 時(shí)上浮,混入結(jié)晶器內(nèi),導(dǎo)致鋼坯鋼材中出現(xiàn)大量的硅酸鹽類夾雜物. 

鋼筋脆斷斷口中出現(xiàn)了超長(zhǎng)、超寬型硅酸鹽類 夾雜物,且硅酸鹽類夾雜物為脆性?shī)A雜物,與基體金 屬的韌性、塑性有較大的差別.試樣在冷彎變形時(shí), 夾雜物不能產(chǎn)生相應(yīng)的變形[９],鋼的變形在夾雜物 與基體界面處發(fā)生應(yīng)力集中,使該處產(chǎn)生微裂紋,隨 著載荷的增加夾雜物處所產(chǎn)生的微裂紋將不斷擴(kuò) 展,達(dá)到一定臨界狀態(tài)時(shí)便會(huì)發(fā)生開(kāi)裂[１０].

３ 結(jié)論及建議

(１)HRB５００E高強(qiáng)度抗震鋼筋冷彎脆斷的主 要原因?yàn)椴牧现写嬖诖罅抗杷猁}類夾雜物,其次為 應(yīng)力集中,在受到彎曲應(yīng)力時(shí),兩者會(huì)共同作用在最 薄弱部位使鋼筋發(fā)生橫向脆性斷裂. 

(２)鋼液澆鑄溫度過(guò)高,造成了鋼液與空氣的 嚴(yán)重二次氧化,是導(dǎo)致形成大量硅酸鹽類夾雜物的 主要原因. 

(３)建議優(yōu)化冶煉工藝制度,提高鋼液潔凈度, 降低夾雜物含量,改善夾雜物的分布形態(tài),避免類似 質(zhì)量事故的再發(fā)生.

參考文獻(xiàn): 

[１] 林雙平,苗明明,張巖,等．建筑用高強(qiáng)抗震鋼筋[J]． 金屬熱處理,２０１２,３７(７):１０２Ｇ１０５． 

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[３] 李海明．４０Cr鋼汽車半軸斷裂原因分析[J]．理化檢 驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(８):５８９Ｇ５９３． 

[４] 高海軍,鄒宗明,馬林虎,等．抽油泵凡爾罩?jǐn)嗔咽? 分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１７,５３(４):２８４Ｇ２８７． 

[５] 上海交通大學(xué)金相分析編寫(xiě)組．金相分析[M]．北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,１９８２． 

[６] 上海市機(jī)械制造工藝研究所．金相分析技術(shù)[M]．上 海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,１９８７． 

[７] 杜增路,劉 純 星,王 學(xué) 安,等．?４０ mm 大 規(guī) 格 HRB５００E抗震鋼筋工藝試制實(shí)踐[J]．冶金標(biāo)準(zhǔn)化與 質(zhì)量,２０１３,５１(１):４２Ｇ４４． 

[８] 王新華,陳斌,姜敏,等．渣Ｇ鋼反應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu) 鋼中生成較低熔點(diǎn)非金屬夾雜物的影響[J]．鋼鐵, ２００８,４３(１２):２８Ｇ３２． 

[９] 張愛(ài)梅．非金屬夾雜物對(duì)鋼性能的影響[J]．物理測(cè) 試,２００６,２４(４):４２Ｇ４４． 

[１０] 王春亮．法蘭開(kāi)裂 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)),２０１３,４９(２):１１３Ｇ１１６． 

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