馮文博
(陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司,漢中 ７２４２００)
摘 要:某公司生產(chǎn)的 HRB５００E高強度抗震鋼筋在冷彎試驗中發(fā)生脆斷現(xiàn)象.利用直讀光譜儀、光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等分別對脆斷鋼筋的化學成分、顯微組織、斷口形貌及夾雜物成分等進行了檢驗和分析.結(jié)果表明:鋼液氧化所產(chǎn)生的大量超長、超寬硅酸鹽類夾雜物是導(dǎo)致該HRB５００E高強度抗震鋼筋冷彎脆斷的主要原因.
關(guān)鍵詞:高強度抗震鋼筋;冷彎脆斷;硅酸鹽類夾雜物;失效分析
中圖分類號:TU５１１．３２;TG１４２．１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１８Ｇ０３
高強度抗震鋼筋的良好塑韌性、高強屈比、高屈服強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,雖然國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)出了５００MPa級高強度抗震鋼筋,但對微合金化控軋控冷工藝的研究還不夠深入,時常出現(xiàn)質(zhì)量缺陷.
為了達到５００ MPa的強度要求,國內(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度,導(dǎo)致鋼筋帶狀組織嚴重、脆斷缺陷增多,進而強屈比和斷后伸長率降低.某公司近期生產(chǎn)的 HRB５００E高強度抗震鋼筋中,出現(xiàn)個別規(guī)格為?２８mm 的抗震鋼筋在冷彎試驗過程中發(fā)生橫向斷裂的現(xiàn)象.筆者主要利用直讀光譜 儀、光 學 顯 微 鏡、掃 描 電 鏡 (SEM)、能 譜 儀(EDS)等分別對冷彎脆斷鋼筋的化學成分、顯微組織、斷口形貌以及夾雜物成分等進行了檢驗和分析,以查明其冷彎脆斷的主要原因.
１ 理化檢驗
１．１ 斷口宏觀分析
?。矀€?２８mm 的 HRB５００E鋼筋試樣在 GWＧ５０B型鋼筋彎曲試驗機上進行冷彎試驗,其中一個試樣出現(xiàn)冷彎脆斷現(xiàn)象,斷口形貌如圖１所示.可以看出:開裂源位于鋼筋表面一側(cè)橫肋的根部,開裂源部位斷口平齊;裂紋擴展區(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,為斷裂過程的最后階段[２].
１．２ 化學成分分析
對該爐次熔煉樣及冷彎脆斷鋼筋取樣(脆斷試樣化學成分分析取樣位置遠離斷口)[３],使用 ARL３４６０直讀光譜儀進行化學成分分析,結(jié)果見表１,可見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光學顯微鏡進行金相觀察.拋光態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),對應(yīng)開裂源部位的基體上存在大量塊狀硅酸鹽類夾雜物,橫截面夾雜物的長度方向顯示的是夾雜物的寬度[４],如圖２所示.
將開裂源橫截面夾雜物部位做好標記后,再磨制開裂源縱向截面到夾雜物部位,測量夾雜物長度,發(fā)現(xiàn)該部位存在大量超長、超寬硅酸鹽類夾雜物:夾雜物的最大寬度為５３μm,如圖２所示;夾雜物的總長度為１．１mm,如圖３所示.將磨制好的橫截面試樣用４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液侵蝕后再在光學顯微鏡下觀察.如圖４所示,試樣 基 體 顯 微 組 織 為 均 勻 的 鐵 素 體 ＋ 珠 光體[５Ｇ６],晶粒度級別為９．５級,無異常組織缺陷.
１．４ 斷口微觀分析
利用ZEISSSIGMA HD掃描電鏡(SEM)對冷彎脆斷鋼筋斷口進行觀察發(fā)現(xiàn),整個斷口基本為脆性斷口,如圖５所示.其中,開裂源位置斷口上分布著較多的塊狀小亮點,如圖６所示;使用 XＧMax５０能譜儀(EDS)分析可確認這些塊狀物為硅酸鹽類夾雜物,如圖７所示.
２ 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知:該冷彎脆斷鋼筋的化學成分及對應(yīng)爐次鋼液的化學成分均符合相關(guān)技術(shù)要求;顯微組織為均勻的鐵素體＋珠光體,無異常組織特征,晶粒度級別為９．５級,均符合相關(guān)標準對HRB５００E高強度抗震鋼筋的技術(shù)要求[７].經(jīng)調(diào)研,該公司生產(chǎn)的該爐次使用開澆爐,鋼液
澆鑄溫度過高,造成了鋼液與空氣嚴重的二次氧化,形成了大量的外來硅酸鹽類夾雜物[８],夾雜物未及時上浮,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、超寬型硅酸鹽類夾雜物,且硅酸鹽類夾雜物為脆性夾雜物,與基體金屬的韌性、塑性有較大的差別.試樣在冷彎變形時,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展,達到一定臨界狀態(tài)時便會發(fā)生開裂[１０].
３ 結(jié)論及建議
(１)HRB５００E高強度抗震鋼筋冷彎脆斷的主要原因為材料中存在大量硅酸鹽類夾雜物,其次為應(yīng)力集中,在受到彎曲應(yīng)力時,兩者會共同作用在最薄弱部位使鋼筋發(fā)生橫向脆性斷裂.
(２)鋼液澆鑄溫度過高,造成了鋼液與空氣的嚴重二次氧化,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.