HRB500熱軋帶肋鋼筋力學性能不合格的原因及工藝改進

陳連生，趙 遠，宋進英，楊 棟

（河北聯(lián)合大學，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，唐山063009）

0 引 言

HRB500高強度微合金化鋼筋（簡稱HRB500鋼筋）與目前主要廣泛使用的HRB335、HRB400［1］鋼筋相比，具有強度高、塑性好、成本低、安全儲備量大、抗震性能好等特點［2-4］，將其應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)中不僅可以明顯降低用鋼量，還能顯著提高工程質(zhì)量［5］，在建筑領(lǐng)域具有非常廣闊的市場前景。

目前，在生產(chǎn)HRB500鋼筋時，釩作為提高鋼筋類長型材產(chǎn)品強度的微合金化元素被廣泛采用［6-7］，并且常常以釩鐵、釩渣或氮化釩等的形式加入［8-9］；若在含釩的微合金化鋼筋中加入氮元素，則可以以較少的釩加入量獲得相同強度水平的鋼筋，顯著降低了鋼的生產(chǎn)成本［10］。某廠在生產(chǎn)HRB500鋼筋時，以釩鐵形式在鋼液中加入釩元素，但在成品的力學性能測試中發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品的強度不合格，造成近1 300t廢品。為防止問題再次出現(xiàn)，作者以該廠生產(chǎn)的性能合格和不合格的HRB500鋼筋為研究對象，通過顯微組織、斷口形貌、夾雜物及化學成分分析，找出了鋼筋力學性能偏低的原因，并提出了改進措施，取得了較好效果。

1 理化檢驗及結(jié)果

分別將力學性能不合格和合格的HRB500鋼筋記為試樣1和試樣2。按照GB/T 228—2002制備拉伸試樣，在WBW-600B型液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗；采用Axiovert200MAT型光學顯微鏡（OM）和S-4800場發(fā)掃描電鏡（SEM）觀察拉伸斷口的組織，腐蝕劑為4%（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液。

1.1 拉伸性能

由表1可知，試樣1的伸長率滿足GB 1499.2-2007的要求，但其抗拉強度和屈服強度較低，不符合國標要求；試樣2的抗拉強度、屈服強度和伸長率均能滿足GB 1499.2-2007的要求。

表1 不同試樣的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of different samples

1.2 顯微組織

由圖1可見，試樣1橫截面的顯微組織為片狀珠光體和網(wǎng)狀、塊狀鐵素體以及少量針狀鐵素體，平均晶粒度為9～9.5級；試樣2橫截面的顯微組織為片狀珠光體和塊狀鐵素體，平均晶粒度為10～10.5級，其晶粒尺寸比試樣1的小。

圖1 不同試樣橫截面的OM形貌Fig.1 OM morphology of cross section of sample 1（a）and sample 2（b）

圖2 不同試樣縱截面的OM形貌Fig.2 OM morphology of longitudinal section of sample 1（a）and sample 2（b）

由圖2可知，試樣1和試樣2縱截面的顯微組織均為珠光體和鐵素體，且均出現(xiàn)了不同程度的帶狀組織，試樣1和試樣2的帶狀組織評級分別為3級和1.5級。帶狀組織的形成一般是由終軋溫度過高、冷卻速率過慢引起的。成分偏析是試樣中出現(xiàn)帶狀組織的先決條件，帶狀組織的存在會使金屬的力學性能呈各向異性，平行于帶狀組織方向的力學性能明顯優(yōu)于垂直于帶狀組織方向的，在后續(xù)壓力加工時材料易在帶狀組織與基體交界處開裂。

1.3 拉伸斷口及夾雜物的形貌

由圖3（a）可知，試樣1的拉伸斷口呈類似木紋狀（朽木狀）［11］形貌，為典型的脆性斷裂特征，且在凹凸不平的臺階處存在塊狀夾雜物。試樣2的拉伸斷口呈明顯的等軸韌窩狀，形貌規(guī)整清晰，未發(fā)現(xiàn)夾雜物存在，如圖3（b）所示。

由圖4可知，在試樣1拋光態(tài)的縱截面中存在較為明顯的經(jīng)軋制變形的長條狀夾雜物，其在拉伸斷口上呈顆粒狀和塊狀存在，經(jīng)能譜分析知其主要含有鐵、硫、硅、錳元素，另外還含有少量鋁、鈣、鈦等元素以及部分氧元素，可知試樣1中的夾雜物主要為硫化錳和硅酸鹽。鋼中存在的大量非金屬夾雜物在晶界上沉積是形成木紋狀斷口的內(nèi)因，軋制之后形成的纖維組織是形成木紋狀斷口的外因。當鋼中含有較多硫化物時，宏觀斷口上出現(xiàn)了偏析線，在微觀斷口上則出現(xiàn)了沿熱加工方向的許多溝槽，在溝槽中含有條狀硫化物；隨著鋼中夾雜物數(shù)量的增多，并有大量氧化物時，斷口形貌表現(xiàn)為嚴重的木紋狀。

由圖5可知，試樣2中主要含有鐵元素，另外還有少量碳和錳元素。對比圖4和圖5可知，試樣1和試樣2中都含有硅和錳等元素，但它們在不同位置的含量是不同的，存在的偏析程度也不同。錳是吸碳的元素，硅是排斥碳的元素，因此合金元素在金屬中的不均勻分配將會導致碳的不均勻分配，這會使不同位置的Ar3溫度不同，從而使先共析鐵素體析出的先后次序不同，加劇成分偏析，因此在試樣1和試樣2中均發(fā)現(xiàn)了不同程度的帶狀組織。鋼中的硫化物等非金屬夾雜對鋼的抗拉強度和屈服強度沒有明顯影響，只有當鋼中的夾雜物存在嚴重偏析時，才會使鋼的強度降低，故而，試樣2中雖有少量帶狀組織，但由于對非金屬夾雜物控制得較好，所以試樣2的力學性能滿足GB 1499.2-2007的要求。

圖3 不同試樣拉伸斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of tensile fracture of sample 1（a）and sample 2（b）

圖4 試樣1中夾雜物的形貌及EDS譜Fig.4 Images and EDS spectrum of inclusion in sample 1：（a）SEM morphology of inclusion in polishing state；（b）SEM morphology of inclusion at tensile fracture and（c）EDS spectrum of inclusion

圖5 試樣2拉伸斷口的SEM形貌及EDS譜Fig.5 SEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of tensile fracture of sample 2

1.4 化學成分

由表2可知，試樣1和試樣2的化學成分均滿足GB 1499.2-2007的要求，但試樣2中的氮含量較高，為146×10-6，在鋼中可形成碳氮化釩，產(chǎn)生彌散強化效果，而試樣1中的氮含量僅為38.5×10-6，沉淀析出強化效果不明顯，因此試樣2的綜合力學性能要優(yōu)于試樣1的。試樣1和試樣2的碳當量分別為0.506%和0.424%。

表2 不同試樣的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.2 Chemical composition of different samples（mass） %

2 工藝改進后的組織與性能

2.1 力學性能不合格的主要原因及改進措施

上述分析表明，導致HRB500熱軋帶肋鋼筋力學性能偏低的主要原因是由于鋼中的氮含量偏低，且鋼中存在非金屬夾雜物以及由偏析引起的帶狀組織。因此，制定了以下改進措施：（1）適當提高鋼中的氮含量，以提高沉淀析出強化效果；（2）在出鋼過程中向鋼包內(nèi)加入石灰等造渣料進行渣洗，以改善鋼液的純凈度，促進夾雜物上浮，并適當延長出鋼吹氬時間；（3）對連鑄過程的拉速進行優(yōu)化控制，以減輕連鑄坯枝晶偏析，從而對鋼中的帶狀組織起到一定的抑制作用。

2.2 改進后的力學性能及顯微組織

工藝改進后，HRB500鋼筋試樣的抗拉強度和屈服強度分別可達745MPa和530MPa，伸長率可達17.3%，均滿足 GB 1499.2-2007標準的要求，其伸長率較試樣1的還有所提高，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

由圖6可知，工藝改進后，HRB500鋼筋試樣橫截面的顯微組織為片狀珠光體和塊狀、網(wǎng)狀鐵素體，平均晶粒度為8～8.5級，晶粒尺寸較試樣2的更細??；縱截面的組織為片狀珠光體和鐵素體，無明顯的帶狀組織。這說明適當?shù)墓に噷︿撝性氐钠鼍哂幸欢ǖ囊种谱饔?，能有效減輕鋼中的帶狀組織。

由圖7可知，工藝改進后，HRB500鋼筋試樣拉伸斷口的SEM形貌與試樣2的相似，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，斷口呈規(guī)整清晰的等軸韌窩狀，為韌性斷裂特征。可見，有效控制鋼中的非金屬夾雜物對鋼的成材率有利。

3 結(jié) 論

（1）HRB500鋼筋抗拉強度和屈服強度不能滿足GB1499.2-2007要求的主要原因是，較低的氮含量、存在硫化錳和硅酸鹽類雜物以及由偏極引起的帶狀組織。

（2）采取提高氮含量、煉鋼過程中采用渣洗工藝、延長吹氬時間以及優(yōu)化控制連鑄拉速等工藝措施后，HRB500鋼筋中帶狀組織明顯減輕，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，各項力學性能均滿足國標要求。

圖7 工藝改進后HRB500鋼筋試樣拉伸斷口的SEM形貌及EDS譜Fig.7 SEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of tensile fracture of HRB500ribbed bar sample after process improvement

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