張 楊， 黃 飛, 朱興江， 王 越， 徐 雁

(1．馬鞍山鋼鐵股份有限公司, 安徽 馬鞍山 243000；2.國(guó)家鋼鐵及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 安徽 馬鞍山 243000)

引 言

HRB400熱軋帶肋鋼筋廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁、道路等土建工程建設(shè)上，要求具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性，屈服強(qiáng)度必須達(dá)到400 MPa以上。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010中的拉伸性能檢測(cè)具有兩種方法，即方法A和方法B，受各方因素的影響，目前應(yīng)用最廣泛的仍然是方法B，其拉伸控制速率在彈性段和屈服段都是一個(gè)范圍值，各檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)可以在標(biāo)準(zhǔn)給定的速率范圍內(nèi)隨機(jī)選擇不同的拉伸速率，這在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致有些對(duì)速率敏感性的材料，選擇不同的拉伸速率時(shí)，出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的不一致，特別是對(duì)于屈服強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度項(xiàng)目指標(biāo)。同時(shí)，時(shí)效現(xiàn)象也是影響材料力學(xué)性能的重要因素，對(duì)于不同類(lèi)型、不同狀態(tài)的金屬材料，時(shí)效有時(shí)是強(qiáng)化作用，有時(shí)是軟化作用。熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)品出廠檢測(cè)時(shí)間與用戶的驗(yàn)收或抽檢部門(mén)的抽查檢測(cè)，存在一定的時(shí)間間隔，有時(shí)可能達(dá)數(shù)月之久，產(chǎn)品不可避免將會(huì)產(chǎn)生時(shí)效，這往往會(huì)使出廠檢測(cè)結(jié)果與后續(xù)驗(yàn)證檢驗(yàn)結(jié)果之間存在一定的差異；因此，除了加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)工藝的控制和檢驗(yàn)管理，有必要對(duì)拉伸速率及時(shí)效對(duì)熱軋帶肋鋼筋的拉伸性能影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究，提出更為可行的出廠檢驗(yàn)規(guī)范。材料斷后伸長(zhǎng)率測(cè)試的影響因素較多，一般不具備可比性，本文僅研究拉伸速率和時(shí)效對(duì)熱軋帶肋鋼筋強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

選自某鋼廠生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋，其牌號(hào)為HRB400，規(guī)格為Φ32,28,20,16,12 mm。

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行：第一組，對(duì)5種規(guī)格的熱軋帶肋鋼筋依據(jù)GB/T 228.1-2010 B法在不同速率條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，具體方案如表1所示。第二組，取規(guī)格為Φ16 mm的鋼筋進(jìn)行相同拉伸速率，不同時(shí)效處理方式后拉伸性能檢測(cè)，對(duì)比分析未時(shí)效(剛下生產(chǎn)線)與經(jīng)過(guò)人工時(shí)效和自然時(shí)效后拉伸性能的變化規(guī)律，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 不同拉伸速率條件下熱軋帶肋鋼筋試驗(yàn)方案

表2 不同時(shí)效處理方式下熱軋帶肋鋼筋試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸速率對(duì)鋼筋拉伸性能的影響

不同拉伸速率條件下，HRB400熱軋帶肋鋼筋的拉伸性能如表3所示。抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與拉伸控制方式的變化趨勢(shì)如圖1和圖2所示。

表3 不同控制方式下拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由圖1及表3可知，鋼筋的抗拉強(qiáng)度隨著控制速率的變化不明顯，抗拉強(qiáng)度最大值與最小值之間相差均小于7 MPa。進(jìn)一步分析圖1可知，Φ12 mm所測(cè)得抗拉強(qiáng)度最大值是在控制方式④條件下得到的，Φ16,20,28,32 mm分別是在控制方式③，⑤，⑤，②下得到的；Φ12 mm所測(cè)得抗拉強(qiáng)度最小值是在控制方式②條件下的得到的，Φ16,20,28,32 mm分別是在控制方式④下得到最小值的，抗拉強(qiáng)度并未隨著控制速率的快慢發(fā)生明顯規(guī)律性變化，由此得出，抗拉強(qiáng)度對(duì)控制速率變化不敏感。分析認(rèn)為，所選的HRB400熱軋鋼筋均具有良好的韌性和較細(xì)的晶粒，在屈服后至拉伸斷裂的過(guò)程中，都可以使晶粒充分變形后發(fā)生斷裂，所以抗拉強(qiáng)度對(duì)拉伸速率不敏感[1]。

圖1 抗拉強(qiáng)度與拉伸控制方式的關(guān)系圖

由圖2及表3可知，對(duì)于屈服強(qiáng)度，Φ12 mm所測(cè)的屈服強(qiáng)度最大值與最小值之間相差14MPa，利用GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的最快彈性段拉伸速率+最快屈服段拉伸速率，可以得出最高的屈服強(qiáng)度，相比較，屈服強(qiáng)度提高了3.4%，測(cè)試所得最小值和最大值在控制方式①和控制方式③條件下得到。仔細(xì)觀察圖2，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)比控制方式①和②，其彈性段的控制速率相同，而屈服段控制方式②相較控制方式①提高了10倍，其屈服強(qiáng)度提高了10 MPa，呈明顯上升；比較控制方式③和④測(cè)出的數(shù)據(jù)，屈服亦呈明顯變化。由此可知，對(duì)于規(guī)格為Φ12 mm，牌號(hào)為HRB400的熱軋帶肋鋼筋，屈服段拉伸速率上升，屈服強(qiáng)度上升較為明顯。相比較，控制方式②和③，其屈服段拉伸速率相同，而彈性段的拉伸速率提高了10倍，屈服強(qiáng)度并無(wú)明顯變化。比較控制方式①和④測(cè)出的數(shù)據(jù)，屈服強(qiáng)度亦無(wú)明顯變化。即，屈服強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì)于屈服段拉伸速率的變化較敏感，而對(duì)于彈性階段拉伸速率的變化不敏感，隨著彈性段應(yīng)力速率的增加，屈服強(qiáng)度值變化不大，而隨著屈服段拉伸速率提高，屈服強(qiáng)度出現(xiàn)明顯上升。

圖2 屈服強(qiáng)度與拉伸控制方式的關(guān)系圖

對(duì)于規(guī)格Φ16～Φ32 mm鋼筋的結(jié)果，比較控制方式①和②，③和④，②和③， ①和④，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨控制方式的變化規(guī)律呈現(xiàn)與Φ12 mm規(guī)格相類(lèi)似的規(guī)律；在較低的屈服段速率范圍內(nèi)，大規(guī)格HRB400熱軋帶肋鋼筋(Φ32 mm)屈服強(qiáng)度出現(xiàn)了低于400 MPa值，呈現(xiàn)出較大規(guī)格熱軋帶肋鋼筋的質(zhì)量不穩(wěn)定性。

分析認(rèn)為，金屬材料實(shí)質(zhì)上就是金屬晶粒按照一定結(jié)構(gòu)的堆積，因而在力學(xué)拉伸試驗(yàn)中，試樣開(kāi)始屈服時(shí)，晶粒結(jié)構(gòu)薄弱的局部區(qū)域首先產(chǎn)生塑性變形滑移帶，在某一應(yīng)力作用下將這一滑移帶擴(kuò)展到整個(gè)試樣，屈服點(diǎn)就是塑性變形起始的抗力，上屈服點(diǎn)相當(dāng)于產(chǎn)生塑性變形滑移帶的形核應(yīng)力，而下屈服點(diǎn)就相當(dāng)于滑移帶生長(zhǎng)擴(kuò)展的應(yīng)力。隨著屈服段拉伸速率的上升材料的屈服強(qiáng)度上升是因?yàn)樵谳^高的應(yīng)變速率條件下，材料組織中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加，位錯(cuò)滑移界面的切應(yīng)力增加，位錯(cuò)滑移阻力增加，材料產(chǎn)生附加強(qiáng)化。

金屬材料屈服效應(yīng)的形成機(jī)理是金屬在外力作用下，當(dāng)外力較小時(shí)，發(fā)生彈性變形，當(dāng)外力達(dá)到屈服應(yīng)力后，發(fā)生不可回復(fù)的塑性變形，其中誘發(fā)塑性變形的原因就是金屬在外力(屈服應(yīng)力)驅(qū)動(dòng)下，金屬中位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，任何一種金屬都有自己塑性變形的傳播速度，如果加載速度大于它本身的塑性傳播速度，必然是形變抗力即屈服點(diǎn)提高，因?yàn)榧虞d速度太快，導(dǎo)致外力方向的晶面轉(zhuǎn)動(dòng)不充分，滑移在整個(gè)試樣的生長(zhǎng)擴(kuò)展中就會(huì)受阻，在宏觀上表現(xiàn)為起始塑性變形抗力的提高。此外，隨著變形硬化的產(chǎn)生，自發(fā)消除硬化的回復(fù)無(wú)法進(jìn)行，而形變硬化又會(huì)阻礙形變的繼續(xù)發(fā)展，因此，要達(dá)到所需的殘余形變，就必須繼續(xù)增加外力，這也表現(xiàn)為起始塑性變形抗力的提高，即屈服強(qiáng)度的上升[2-5]。

2.2 時(shí)效對(duì)鋼筋拉伸性能的影響

不同時(shí)效處理方式，相同拉伸速率條件下，規(guī)格為Φ16 mm，牌號(hào)為HRB400熱軋帶肋鋼筋拉伸性能如表4所示。其拉伸性能隨時(shí)效處理方式的變化如圖3和圖4所示。

表4 不同時(shí)效方式下拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 抗拉強(qiáng)度與不同時(shí)效處理方式的關(guān)系圖

圖4 屈服強(qiáng)度與不同時(shí)效處理方式的關(guān)系圖

由圖3可知，對(duì)于Φ16 mm的HRB400鋼筋，經(jīng)人工時(shí)效處理100 ℃×1 h后，時(shí)效前、后鋼筋的抗拉強(qiáng)度均為614 MPa，無(wú)變化；時(shí)效時(shí)間維持1 h不變，隨著時(shí)效溫度由100 ℃升至200 ℃，所測(cè)試樣的抗拉強(qiáng)度亦無(wú)明顯變化。自然時(shí)效10天和30天后，鋼筋的抗拉強(qiáng)度均無(wú)明顯變化，最大下降了4 MPa。由此可知，無(wú)論是人工時(shí)效或者自然時(shí)效，以及人工時(shí)效溫度的提高和自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，其對(duì)鋼筋的抗拉強(qiáng)度影響不大。

由圖4可知，鋼筋的屈服強(qiáng)度經(jīng)人工時(shí)效100 ℃×1 h處理后有明顯的下降，屈服強(qiáng)度由原來(lái)的426 MPa下降為414 MPa，下降了12 MPa，下降幅度為2.8%。隨著時(shí)效溫度由100 ℃提高到200 ℃，鋼筋的屈服強(qiáng)度下降至411 MPa，相比較，時(shí)效溫度的降低帶來(lái)的屈服強(qiáng)度降幅變化不大。自然時(shí)效10天后，屈服強(qiáng)度下降了10 MPa，隨著時(shí)效時(shí)間由10天延長(zhǎng)至30天，屈服強(qiáng)度下降了8 MPa，降幅變化不明顯。

分析認(rèn)為，時(shí)效導(dǎo)致鋼筋屈服強(qiáng)度下降主要是因?yàn)殇摻顑?nèi)部殘余應(yīng)力的釋放和晶體中內(nèi)部點(diǎn)陣畸變程度下降[6-8]。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，為考慮長(zhǎng)時(shí)間自然時(shí)效對(duì)拉伸性能的不利影響，出廠檢驗(yàn)時(shí)，可用200 ℃×1 h人工時(shí)效來(lái)模擬長(zhǎng)時(shí)間自然時(shí)效。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)熱軋帶肋鋼筋的抗拉強(qiáng)度隨著拉伸速率的變化不明顯；屈服強(qiáng)度對(duì)于彈性段應(yīng)變速率的變化不敏感，而對(duì)于屈服段的應(yīng)變速率變化較敏感，隨著應(yīng)變速率的增加，屈服強(qiáng)度提高。

(2)經(jīng)時(shí)效處理后，鋼筋抗拉強(qiáng)度變化不明顯，屈服強(qiáng)度均具有不同幅度的下降，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，用200 ℃×1 h模擬長(zhǎng)時(shí)間自然時(shí)效比較合適。

(3)考慮到拉伸控制速率、時(shí)效兩方面的綜合影響，建議生產(chǎn)方在生產(chǎn)HRB400熱軋帶肋鋼筋時(shí)至少應(yīng)留有約30 MPa以上的屈服強(qiáng)度余量，出廠檢驗(yàn)應(yīng)采用屈服段較慢的拉伸速率。