李建賓，欽祥斗

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京210035）

1 前 言

HRB500 級(jí)鋼筋具有強(qiáng)度高、延性好、碳含量低、可焊性優(yōu)良等力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑、大型框架結(jié)構(gòu)、高烈度區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)建筑中，不僅可以顯著改善梁、柱節(jié)點(diǎn)中鋼筋密集的情況，還可減少鋼筋的使用量，節(jié)約工程成本。目前，國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)均能生產(chǎn)出HRB500 級(jí)鋼筋，但對(duì)控軋控冷工藝的研究還不夠深入，產(chǎn)品檢驗(yàn)中時(shí)常出現(xiàn)反彎開(kāi)裂甚至完全斷裂的情況。為分析斷裂原因，對(duì)不同反彎性能的產(chǎn)品取樣進(jìn)行分析，以期找出不合格的原因。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試樣取自某公司生產(chǎn)的Φ32 mm 的HRB500E級(jí)鋼筋，選取該批次反彎斷裂試樣和以前檢測(cè)反彎合格的另外一批次同規(guī)格的樣品進(jìn)行對(duì)比分析。用光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等設(shè)備對(duì)選取試樣的化學(xué)成分、金相組織、非金屬夾雜、斷口等進(jìn)行分析，對(duì)比研究各方面的差異。反彎斷裂試樣的斷口宏觀形貌及表面裂紋形貌見(jiàn)圖1。圖1a為斷口，斷口起伏不大，總體較平，斷面有金屬光澤，從放射線形貌可看出，斷裂從一側(cè)表面開(kāi)始向?qū)γ鏀U(kuò)展；圖1b為只開(kāi)裂未完全斷裂試樣，表面有一細(xì)小裂紋。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 成分分析

利用ARL-4460型直讀光譜儀分別測(cè)定了兩批次試樣的化學(xué)成分，分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可以看出，兩批次試樣成分一致，均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，未見(jiàn)明顯差異。

圖1 試樣斷口及裂紋形貌

表1 斷裂試樣和合格試樣化學(xué)成分 wt%

3.2 抗拉性能對(duì)比

利用WESW-600C 型拉力試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)定兩批次試樣的抗拉性能，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)兩批次試樣抗拉性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷裂試樣無(wú)論是屈服強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度都稍高于合格試樣。

表2 斷裂試樣和合格試樣抗拉性能

3.3 斷口觀察

采用Sigma300 型掃描電鏡觀察圖1 中所述斷口微觀形貌，結(jié)果見(jiàn)圖2。其中圖2a和圖2b為斷裂源形貌，可見(jiàn)斷裂源區(qū)為韌窩形貌，而且只分布在斷口最表面很窄的區(qū)域；圖2c為擴(kuò)展區(qū)形貌，為典型的解理斷裂特征，局部可見(jiàn)粗大的解理面；圖2d為撕裂區(qū)形貌，為撕裂韌窩。

3.4 金相分析

取兩批次試樣縱向截面，依次磨拋后利用Axio Imager.M2m 型金相顯微鏡檢測(cè)其非金屬夾雜。非金屬夾雜情況見(jiàn)表3、圖3。結(jié)果顯示，兩批次試樣硫化物夾雜均較多，斷裂試樣A類夾雜2.0級(jí)，合格試樣A類夾雜2.0級(jí)。

圖2 試樣斷口微觀形貌

表3 斷裂試樣和合格試樣非金屬夾雜評(píng)級(jí)

取兩批次試樣橫截面，依次磨拋、腐蝕后檢測(cè)其金相組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷裂試樣和合格試樣組織差異明顯，其中斷裂試樣組織為粗大的珠光體團(tuán)＋網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度4～5 級(jí)，見(jiàn)圖4a；而合格試樣組織為細(xì)小的鐵素體＋珠光體，晶粒度8～9級(jí)，如圖4b 所示。取圖1b 中裂紋截面，磨拋、腐蝕后檢測(cè)其組織形貌，見(jiàn)圖4c 和圖4d，可見(jiàn)裂紋最外側(cè)的表面有脫碳特征，放大觀察可發(fā)現(xiàn)裂紋沿著鐵素體網(wǎng)擴(kuò)展。

圖3 斷裂試樣和合格試樣非金屬夾雜形貌

圖4 斷裂試樣和合格試樣組織

4 討論與分析

HRB500E 級(jí)鋼筋為熱軋態(tài)交貨，正常組織應(yīng)該為具有良好塑性和韌性的鐵素體＋珠光體，但不同的鐵素體和珠光體含量以及其晶粒尺寸大小，對(duì)塑韌性的影響也很大。晶粒尺寸d與裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力σt的關(guān)系是σt∝d-1/2，也就是隨著鐵素體晶粒尺寸減小，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力提高，鋼的韌性也相應(yīng)提高。因此，鋼中存在數(shù)量較多、晶粒細(xì)小的鐵素體可以提高鋼的韌性。珠光體的強(qiáng)度、硬度均高于鐵素體，一般隨著珠光體硬相含量增加，抗拉性能提高，但韌性降低。

金相檢測(cè)顯示斷裂試樣珠光體含量約60%～70%，根據(jù)鐵碳相圖，應(yīng)用杠桿定律可計(jì)算出斷裂試樣含碳量為0.22%時(shí)，珠光體含量26.7%；鐵素體含量73.3%

即使考慮Si、Mn、V等合金元素的影響，斷裂試樣珠光體含量也是不正常的。用同樣的方法可以計(jì)算出合格試樣鐵素體和珠光體含量，實(shí)際含量與計(jì)算值相當(dāng)。

斷裂試樣珠光體團(tuán)粗大，應(yīng)該和原始奧氏體晶粒長(zhǎng)大和冷速過(guò)快有關(guān)。HRB500E 級(jí)鋼筋中加入合金元素V，目的是通過(guò)微合金化細(xì)化晶粒，但是在超過(guò)一定溫度以后，隨著加熱溫度提高，加熱時(shí)間延長(zhǎng)，微合金碳氮化物質(zhì)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)減少，奧氏體晶粒將因解除釘扎而發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。HRB500E 級(jí)鋼筋是亞共析鋼，根據(jù)相變規(guī)律，隨著溫度的降低，首先在奧氏體晶界析出鐵素體，然后再形成珠光體。若冷速較快，相當(dāng)于當(dāng)C 曲線右移，導(dǎo)致鐵素體量減少，珠光體量增多。由于珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，珠光體量增多，鋼材的塑韌性降低，脆性增加。先共析鐵素體以網(wǎng)狀分布，嚴(yán)重割裂了珠光體之間的聯(lián)系，也會(huì)嚴(yán)重降低鋼材的機(jī)械性能，極易導(dǎo)致脆性斷裂。此外兩批次試樣中MnS 夾雜均較多，雖然不是導(dǎo)致反彎斷裂的直接原因，但也存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，由于夾雜割裂了基體的連續(xù)性，在外力作用下也容易在夾雜處萌生裂紋并不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致材料早期失效。

5 結(jié) 論

5.1 反彎斷裂試樣組織異常，為團(tuán)狀珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度4～5級(jí)，晶粒粗大。

5.2 反彎斷裂試樣珠光體含量高達(dá)60%～70%，遠(yuǎn)高于按鐵碳相圖計(jì)算的26.7%。

5.3 粗大的珠光體團(tuán)＋網(wǎng)狀鐵素體是導(dǎo)致HRB500E級(jí)鋼筋反彎斷裂的主要原因。