摘 要:某公司生產(chǎn)的 HRB４００熱軋帶肋鋼筋在冷彎過程中發(fā)生斷裂,采用宏觀斷口分析、化學(xué) 成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法對(duì)斷裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:由于該 HRB４００熱軋帶肋鋼筋的化學(xué)成分偏析嚴(yán)重,導(dǎo)致基體中顯微組織不均勻,存在馬氏體和貝氏體等 異常顯微組織,使得鋼筋強(qiáng)度高、塑性差;而且在該鋼筋中存在大量的非金屬夾雜物,破壞了鋼筋基 體的連續(xù)性,使鋼筋基體容易產(chǎn)生應(yīng)力集中及形成空隙或裂紋,這兩個(gè)因素最終造成了鋼筋的冷彎 斷裂. 

關(guān)鍵詞:熱軋帶肋鋼筋;冷彎斷裂;成分偏析;非金屬夾雜物 

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８５３Ｇ０４ 

HRB４００熱軋帶肋鋼筋具有高的強(qiáng)韌性以及良 好的焊接性能,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑等領(lǐng) 域.某公司生產(chǎn)的?２２ mm 的 HRB４００熱軋帶肋 鋼筋出現(xiàn)了彎曲斷裂的情況,給公司造成了一定的 損失,針對(duì)這種情況,有必要對(duì)產(chǎn)生此次質(zhì)量問題的 原因進(jìn)行分析.

HRB４００ 熱 軋 帶 肋 鋼 筋 的 生 產(chǎn) 工 藝 流 程 為: １２０t轉(zhuǎn) 爐 冶 煉 → 鋼 包 爐 精 煉 → 連 鑄 → 粗 軋 → 中軋→精軋→穿水冷卻.影響鋼筋冷彎性能的因素 有很多,例如鋼材的化學(xué)成分以及夾雜物的種類、大 小、數(shù)量、分布等,另外鋼材顯微組織和軋制工藝等 也會(huì)對(duì)鋼筋的冷彎性能產(chǎn)生影響[１Ｇ２].

筆者通過宏觀斷口分析、化學(xué)成分分析、金相檢 驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了該 HRB４００ 熱軋帶肋鋼筋冷彎斷裂的原因,以期避免再次出現(xiàn) 同樣的質(zhì)量事故.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 斷口宏觀分析 

HRB４００熱軋帶肋鋼筋冷彎斷口形貌如圖１所示,可見其屬于脆性斷口,斷口處于橫肋位置,與橫肋 平行,斷口上有放射狀紋路,放射狀紋路收斂方向指 向裂紋源,裂紋源呈圓形斑點(diǎn)狀,位于近試樣邊緣處.

１．２ 化學(xué)成分分析

追溯該批冷彎斷裂試樣的鋼坯爐號(hào),查找鋼坯化 學(xué)成分,結(jié)果見表１;從斷裂試樣上截取一小段使用 ARL３４６０/AD型直讀光譜儀分析其化學(xué)成分,結(jié)果見 表１.由表１可知,該斷裂鋼筋的化學(xué)成分符合 GB １４９９．２－２００７«鋼筋混凝土用鋼 第２部分:熱軋帶肋 鋼筋»對(duì) HRB４００熱軋帶肋鋼筋的技術(shù)要求. 

１．３ 金相檢驗(yàn) 

１．３．１ 顯微組織 

HRB４００熱軋帶肋鋼筋經(jīng)過控軋控冷工藝,最 終正常的顯微組織應(yīng)該是鐵素體＋珠光體,邊緣可 能會(huì)存 在 少 數(shù) 回 火 索 氏 體.依 據(jù) GB/T１３２９８－ ２０１５«金屬顯微組織檢驗(yàn)方法»從斷裂試樣上截取垂 直于鍛軋方向的橫截面,磨制、拋光后,用４％(體積 分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液侵蝕,用光學(xué)顯微鏡觀察其顯 微組織形貌,如圖２所示.可見其顯微組織異常且 不均勻,有幾處存在明顯的偏析,試樣心部顯微組織 為馬氏體＋鐵素體＋貝氏體,試樣邊緣顯微組織為 回火馬氏體＋貝氏體.由圖２g)可見試樣邊緣淬火 層的厚度約為１mm.

１．３．２ 非金屬夾雜物 

依據(jù) GB/T１３２９８－２０１５從斷裂試樣上截取平 行于鍛軋方向的縱截面,磨制、拋光后,用光學(xué)顯微 鏡觀察其非金屬夾雜物形貌,如圖３所示.可見試 樣表面附近存在夾雜物,依據(jù) GB/T１０５６１－２００５ «鋼中非金屬夾雜物含量測(cè)定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微 檢驗(yàn)法»對(duì) 非 金 屬 夾 雜 物 含 量 進(jìn) 行 評(píng) 定,結(jié) 果 為: A０．５,B０．５,C３．０e,D０．５,DS２．０. 

１．４ 掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)分析 

１．４．１ 斷口SEM 分析 

斷 口 經(jīng) 酒 精 超 聲 波 清 洗 后 使 用 蔡 司ΣIGMAHD/VP型掃描電鏡進(jìn)行觀察,如圖４所示,可見斷 口裂紋源處存在大量夾雜物.對(duì)夾雜物進(jìn)行 EDS 分析,如圖５所示,可見夾雜物主要為氧化物(鎂元 素來源于中間包的耐火材料)、鋁酸鹽及硅酸鹽,斷 裂處氧元素含量較高[３]. 

１．４．２ 微區(qū)成分 EDS分析 

取垂直于鍛軋方向的橫截面,磨制、拋光后,將 試樣從邊緣到中心劃分為５等份,進(jìn)行能譜線掃描, 結(jié)果表明該 HRB４００熱軋帶肋鋼筋表面到心部的 化學(xué)成分不均勻,心部成分偏析嚴(yán)重[４].

２ 分析與討論 

２．１ 化學(xué)成分對(duì)彎曲性能的影響 

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,冷彎斷裂試樣熔煉鋼坯 的化學(xué)成分與鋼筋的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但 從能譜分析的結(jié)果可以看出,試樣的微區(qū)成分存在 碳、硅、錳元素的嚴(yán)重偏析.鋼中以固溶形式存在的 硅,能一定程度地提高鋼的強(qiáng)度與硬度,但是也會(huì)降 低鋼的韌性;錳元素溶于鐵素體中,提高了鐵素體的 強(qiáng)度,但錳元素含量超過一定的限度時(shí),也會(huì)降低鋼 的韌性.硅、錳元素含量過高,使得鐵碳相圖共析點(diǎn) 左移,珠光體含量升高,強(qiáng)度增加而韌性下降.鋼筋 心部化學(xué)成分的嚴(yán)重偏析是造成其冷彎斷裂的主要 原因之一[５].

２．２ 顯微組織對(duì)彎曲性能的影響 

由微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果可知,該 HRB４００熱 軋帶肋鋼筋的化學(xué)成分偏析嚴(yán)重,再加上鋼材冷卻 時(shí)表面與心部的冷卻速率不一致,導(dǎo)致了試樣顯微 組織差異大,不同區(qū)域有不同的顯微組織.鋼材在 冷卻過程中表面的冷卻速率大于心部的,鋼筋表面 首先形成馬氏體,而心部一般不會(huì)形成馬氏體,但是 由于斷裂鋼筋心部錳元素含量偏高,使得奧氏體能 夠保持到較低的溫度,最終導(dǎo)致心部奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)? 馬氏體,而邊部馬氏體發(fā)生回火,轉(zhuǎn)變成回火馬氏 體,回火馬氏體致脆,使材料的韌性急劇下降.在低 溫區(qū)組織轉(zhuǎn)變過程中硅、錳元素使 C 曲線右移,使 得貝氏體冷速范圍增大,冷卻時(shí)發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變,鐵 素體含量降低,塑性、韌性極大地降低了,導(dǎo)致鋼筋 冷彎斷裂[６Ｇ９].該 HRB４００熱軋帶肋鋼筋軋制后冷 卻速率過快,造成顯微組織異常,可能是鋼筋冷彎斷 裂的主要原因.

２．３ 非金屬夾雜物對(duì)彎曲性能的影響 

非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表明,試樣表面附近存 在硅酸鹽類夾雜物,由硅酸鹽類夾雜物變形指數(shù)與 溫度的關(guān)系可知,硅酸鹽類夾雜物高溫時(shí)可隨鋼的 基體協(xié)調(diào)變形,室溫時(shí)不能與鋼同時(shí)變形,當(dāng)進(jìn)行冷 彎操作時(shí)硅酸鹽類夾雜物阻礙了晶粒之間的協(xié)調(diào) 性,產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而引起開裂,隨著彎曲角度的 增大,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致冷彎斷裂[１０Ｇ１３].且斷裂 源處存在大量彌散分布的復(fù)合型顆粒狀?yuàn)A雜物,加 速了鋼筋的冷彎斷裂.

３ 結(jié)論及建議 

由于該 HRB４００熱軋帶肋鋼筋的化學(xué)成分偏析嚴(yán)重,導(dǎo)致冷卻過程中鋼筋的顯微組織不均勻, 存在馬氏體 和 貝 氏 體 等 異 常 組 織,使 得 鋼 筋 強(qiáng) 度 高,塑性差;而且在該鋼筋中存在大量的非金屬夾 雜物,破壞了鋼筋基體的連續(xù)性,使鋼筋基體容易 產(chǎn)生應(yīng)力集 中 及 形 成 空 隙 或 裂 紋,造 成 鋼 筋 冷 彎 斷裂. 

建議在保證鋼筋力學(xué)性能合格的前提下,嚴(yán)格 控制冷卻速率和化學(xué)成分,特別是碳、硅、錳元素的 含量應(yīng)控制在中下限;合理控制合金加入鋼包中合 金元素的擴(kuò)散時(shí)間,多次使用電磁攪拌,以保證鋼包 吹氬時(shí)間與壓力,使鋼液成分均勻,減少夾雜物的含 量,改善鋼的顯微組織,從而避免該類質(zhì)量事故的再 次發(fā)生. 

參考文獻(xiàn): 

[１] 曾德應(yīng)．２０MnSi螺紋鋼鋼筋脆斷原因分析[J]．重慶 科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),２０１０,１２(１):９１Ｇ９３． 

[２] 耿紹卿,魏躍軍,羅波,等．熱軋帶鋼冷彎開裂原因分 析[J]．河北冶金,２０１７(５):２５Ｇ２８． 

[３] 雷三祥,彭其春,王友華．HRB４００螺紋鋼冷彎斷裂的 原因分析[J]．熱加工工藝,２０１７,４６(７):２４６Ｇ２４８． 

[４] 丁禮權(quán),徐志,范植金,等．HRB４００熱軋帶肋鋼筋彎 曲加 工 斷 裂 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)), ２０１５,５１(１０):７３３Ｇ７３５． 

[５] 何慶文．２０MnSi熱軋帶肋鋼筋冷彎斷裂及拉伸脆斷 分析[J]．山東冶金,１９９６,１８(３):３３Ｇ３６． 

[６] 李智博,常金麗,張賀宗．螺紋鋼脆斷分析[J]．理化檢 驗(yàn)(物理分冊(cè)),２００５,４１(１０):５２１Ｇ５２３． 

[７] 蘇春昌,田慶榮．HRB４００熱軋帶肋鋼筋脆斷原因分 析[J]．天津冶金,２００３(３):１５Ｇ１７． 

[８] 徐祖耀．鋼中的低碳馬氏體及條間奧氏體[J]．鋼鐵, １９８７,２２(３):５Ｇ１３． 

[９] 杜顯彬,劉英瑞．２０MnSi熱軋帶肋鋼筋脆斷原因分析 [J]．山東冶金,１９９４,１６(１):３２Ｇ３５． 

[１０] 楊玉學(xué),李年,陳金雷．HRB３３５/４００鋼筋混凝土用熱 軋帶肋鋼筋表面縱向裂紋成因分析[J]．機(jī)械強(qiáng)度, ２００３,２５(２):１９０Ｇ１９５． 

[１１] 王鵬,徐武,陳英俊,等．鋼板彎曲試驗(yàn)后出現(xiàn)裂紋的 原因[J]．物理測(cè)試,２０００(６):３７Ｇ３９． 

[１２] 付永麗,李超,董友珍,等．熱軋帶肋鋼筋冷彎開裂原 因的分析[J]．鋼鐵研究,２０１５,４３(３):２９Ｇ３１． 

[１３] 趙小金,戴林榮,徐旋旋,等．HRB４００鋼筋彎曲斷裂 分析[J]．理 化 檢 驗(yàn)(物 理 分 冊(cè)),２０１５,５１(１２):９１４Ｇ ９１７．

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)