狄明軍

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 問(wèn)題的提出

多年來(lái)八鋼主要以釩氮合金生產(chǎn)HRB400E熱軋帶肋鋼筋，由于釩氮合金價(jià)格變化巨大，為降低成本，研究探索采用鈮微合金化替代釩氮合金的工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋。但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)部分試樣出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象,同時(shí)個(gè)別還出現(xiàn)延伸率偏低的情況。按照GB/T 1499.2-2018鋼筋混凝土用鋼-熱軋帶肋鋼筋的要求,當(dāng)鋼筋沒(méi)有屈服強(qiáng)度時(shí)，可以用塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2代替，但用戶(hù)由于檢驗(yàn)方法以及使用習(xí)慣等原因，對(duì)無(wú)屈服點(diǎn)的鋼筋不易接受，造成產(chǎn)品銷(xiāo)售困難。八鋼采用含釩合金生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋很少出現(xiàn)力學(xué)性能無(wú)屈服現(xiàn)象，為此，八鋼公司成立了攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，對(duì)含鈮HRB400E鋼筋出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

2 HRB400E生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述

生產(chǎn)HRB400E的工藝流程：40t轉(zhuǎn)爐→鋼包底吹氬→方坯連鑄機(jī)→棒材機(jī)組→檢驗(yàn)→標(biāo)識(shí)→入庫(kù)。

3 檢測(cè)分析

對(duì)無(wú)屈服鋼筋與性能正常的含釩鋼筋進(jìn)行化學(xué)成分、性能對(duì)比分析，對(duì)屈服鋼筋與性能正常的含釩鋼筋取樣進(jìn)行金相組織對(duì)比分析。

3.1 力學(xué)性能的比較

對(duì)含鈮鋼無(wú)屈服的試樣與性能正常的含釩鋼試樣進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。由表1清楚地看到,含鈮鋼無(wú)屈服的的試樣大多具有較高的抗拉強(qiáng)度Rm,其值在639～730MPa,平均值約為671MPa；而性能正常含釩鋼筋的抗拉強(qiáng)度在569～715MPa，平均值635MPa。說(shuō)明抗拉強(qiáng)度大的試樣出現(xiàn)無(wú)屈服的可能性增大。

3.2 化學(xué)成分的比較

對(duì)含鈮鋼無(wú)屈服試樣與性能正常的含釩鋼鋼筋進(jìn)行C、Si、Mn、V、Nb含量的比較分析和統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。C、Si、Mn化學(xué)含量接近，不同的是微合金化元素V和Nb。說(shuō)明含鈮鋼筋容易出現(xiàn)無(wú)屈服的情況。

表1 無(wú)屈服的試樣與性能正常的試樣成分和性能對(duì)比

3.3 顯微組織的比較

取無(wú)屈服鋼筋與性能正常的含釩鋼鋼筋做金相組織分析。試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表2，金相分析結(jié)果見(jiàn)表3和圖1、圖2。圖1為性能正常試樣的顯微組織照片，圖2為無(wú)屈服試樣的顯微組織照片?？梢钥闯?兩試樣的晶粒度差異不明顯，性能正常的批號(hào)1809-0106金相組織鐵素體+珠光體，無(wú)貝氏體；無(wú)屈服的1811-0577除了鐵素體+珠光體外還含有大量貝氏體，心部的偏析程度更為嚴(yán)重，幾乎為貝氏體。

表2 無(wú)屈服試樣與性能正常試樣的化學(xué)成分

表3 無(wú)屈服與性能正常含釩鋼試樣的金相組織

圖1 性能正常1809-0106試樣的顯微組織

圖2 無(wú)屈服1811-0577試樣的顯微組織

4 原因分析

國(guó)標(biāo)鋼筋混凝土用鋼-熱軋帶肋鋼筋GB/T 1499.2-2018的要求規(guī)定：熱軋帶肋鋼筋的金相組織應(yīng)主要是鐵素體加珠光體，基圓上不應(yīng)出現(xiàn)回火馬氏體組織，正常抽查的熱軋帶肋鋼筋金相組織也是這種情況。根據(jù)以上分析，無(wú)屈服試樣的金相組織有大量貝氏體組織應(yīng)該是組織異常。

鋼在熱加工狀態(tài)下的組織通常為奧氏體，在軋制、冷卻過(guò)程中由于溫度變化的不同，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，因此，當(dāng)軋制溫度、冷卻速度不同，會(huì)得到不同的鋼材組織，也會(huì)得到不同的力學(xué)工藝性能。在不同的軋制溫度和冷卻速度下，可能得到鐵素體a、珠光體P、貝氏體B，如果冷卻速度過(guò)快，還會(huì)得到馬氏體組織。

貝氏體是由鐵素體和碳化物組成的機(jī)械混合物，鋼中的貝氏體提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度，但也增加鋼的脆性，鋼中貝氏體含量較多是造成鋼筋無(wú)屈服強(qiáng)度的主要原因。

4.1 煉鋼工藝方面

鈮（Nb）元素的強(qiáng)化機(jī)制主要是細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化，可提高鋼的強(qiáng)度，鈮含量小于0.03%，鋼中的細(xì)化晶粒是主要的強(qiáng)化機(jī)理，鈮含量大于0.03%，鋼中鋼的沉淀強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化機(jī)理[1]。

鈮元素雖然具有顯著的強(qiáng)化效果，但它同時(shí)又是增加淬透性的元素，鋼中由于鈮的加入,增大了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,使C曲線右移,增強(qiáng)了鋼的淬透性,因而在相變時(shí)鐵素體的形成被抑制,有利于細(xì)化鐵素體,同時(shí)也促進(jìn)了貝氏體的形成。因此,鈮微合金鋼筋中存在貝氏體是由鈮在鋼中的作用機(jī)理所決定的。

國(guó)內(nèi)其它鋼廠在生產(chǎn)含鈮熱軋帶肋鋼筋時(shí)也出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題,例如宣鋼（Nb0.03%～0.040%），與正常的鋼筋比,無(wú)屈服鋼筋組織中的貝氏體所占的比例很高,宣鋼認(rèn)為貝氏體含量超過(guò)10%時(shí),鋼筋很容易出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象。昆鋼認(rèn)為貝氏體含量大于15%時(shí),鋼筋很容易出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象[2]。

唐鋼（Nb0.023%～0.04%）認(rèn)為貝氏體含量大于12%時(shí),極易造成鋼筋無(wú)屈服情況，與宣鋼接近[3]。

各廠的生產(chǎn)條件不盡相同，檢測(cè)的數(shù)據(jù)也不盡相同，但從八鋼的檢驗(yàn)結(jié)果（定性檢測(cè)）來(lái)看：與正常的鋼筋比,無(wú)屈服鋼筋組織中的貝氏體所占的比例較高,這與以上廠家的觀點(diǎn)基本是一致的。

4.2 軋制工藝方面

貝氏體組織的出現(xiàn)與熱加工過(guò)程息息相關(guān),不合適的終軋溫度,會(huì)使原始晶粒粗大,增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,軋后冷卻速度過(guò)快,使鋼產(chǎn)生貝氏體組織,導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)屈服強(qiáng)度現(xiàn)象。

八鋼軋制工藝比較適合軋制含釩鋼筋，由于鋼中加入鈮,使C曲線右移,如果仍然保持原有的軋制冷卻速度或較快的冷卻速度，軋制含鈮鋼筋，就會(huì)有更多的貝氏體的形成。

從容易出現(xiàn)力學(xué)性能無(wú)屈服強(qiáng)度現(xiàn)象來(lái)看，采用含釩軋制工藝參數(shù)軋制含鈮鋼，軋制冷卻速度過(guò)快，是不合適的。

另外,也發(fā)現(xiàn)含鈮HRN400E鋼筋出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象大多集中在環(huán)境溫度開(kāi)始降低的11月份。在化學(xué)成分相同、加熱溫度一定的情況下,環(huán)境溫度越低,軋后冷卻速度越大，產(chǎn)生異常貝氏體組織的可能性就越大。

5 對(duì)策及效果

根據(jù)以上分析，熱軋帶肋鋼筋無(wú)屈服強(qiáng)度的主要原因是鋼的組織中貝氏體含量較多造成的。

所以消除鋼筋無(wú)屈服強(qiáng)度缺陷,應(yīng)同時(shí)考慮成分、熱加工溫度和冷卻速度三個(gè)方面的因素。

表4 加鈮鐵合金HRB400EN的性能

為減少鋼中貝氏體采取了以下措施：煉鋼方面降低鋼中Nb含量；在軋鋼工序，與軋制含釩鋼相比，降低了軋制的終軋速度，在原有的終軋速度的基礎(chǔ)上各種規(guī)格均降低1m/s，適當(dāng)提高上冷床溫度，確保冷卻速度控制在3℃/s以下。在冬季時(shí)間11月至次年的4月間，將冷床進(jìn)行封閉，減弱冷床上鋼筋的冷卻速度。

通過(guò)采取以上控制措施，HRB400E鋼筋無(wú)屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象得到有效控制。抽查取樣做有關(guān)分析，化學(xué)成分及性能見(jiàn)表4，金相分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 第三次試驗(yàn)材樣金相分析

以上分析可知：HRB400E鋼材無(wú)屈服強(qiáng)度的原因是軋材組織存在大量貝氏體。力學(xué)性能滿足要求的鋼材組織中出現(xiàn)少量的貝氏體，即組織是鐵素體＋珠光體＋少量的貝氏體。

圖3 1812-4208試樣的顯微組織

圖4 1812-4335試樣的顯微組織

抽查性能正常的鋼筋做金相組織分析，鋼材組織中出現(xiàn)少量貝氏體的情況較為普遍。因此認(rèn)為鋼筋組織中有少量貝氏體，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象。

鋼筋微觀組織中貝氏體含量的變化是影響性能波動(dòng)的主要因素，比如會(huì)出現(xiàn)鋼筋無(wú)屈服現(xiàn)象。由于鋼中鈮的存在，使軋鋼過(guò)程中軋制條件（軋制溫度、冷卻條件）和鋼筋化學(xué)成分的波動(dòng)變化直接影響鋼筋的微觀組織中貝氏體含量,并且變得十分敏感，所以實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)窄成分控制和軋制條件的穩(wěn)定予以重視。

6 結(jié)論

(1)HRB400E熱軋帶肋鋼筋出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象的主要原因是其金相組織存在大量貝氏體,貝氏體的形成與鋼中鈮含量和軋制冷卻制度有關(guān)，較高的鈮含量和較快軋后的冷卻速度，能促進(jìn)貝氏體的形成。

(2)采取降低鋼中鈮含量和軋后冷卻速度的措施,對(duì)減少貝氏體含量是有效的。

(3)HRB400E熱軋帶肋鋼筋組織中存在少量貝氏體，能提高鋼的強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)屈服現(xiàn)象。