張 鑫

（青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008）

熱軋制帶肋鋼筋作為混凝土建筑結(jié)構(gòu)中最主要的增強(qiáng)材料，在整體建筑中承擔(dān)著高周和低周的疲勞效應(yīng)。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)建筑鋼材的需求急速增加，按高標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)以上的螺紋鋼材產(chǎn)量?jī)H為28萬(wàn)噸，在優(yōu)質(zhì)鋼材中的占比偏少。并且為整合建筑行業(yè)的爛尾和低品質(zhì)樓區(qū)現(xiàn)象，在混凝土鋼材設(shè)計(jì)規(guī)范中明確指出，需要對(duì)強(qiáng)度在400MPa以下的熱軋制帶肋鋼筋進(jìn)行淘汰。在優(yōu)質(zhì)煤炭和礦石的使用中，原有鋼材的原料供應(yīng)逐漸制約我國(guó)鋼鐵制造業(yè)的發(fā)展，在不考慮其他因素條件下，如何增強(qiáng)滿足條件的軋制鋼材是現(xiàn)階段需要解決的重要問(wèn)題。在以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)完成合金鋼材的生產(chǎn)和應(yīng)用，其通過(guò)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的化學(xué)元素，在發(fā)生固溶反應(yīng)的階段對(duì)鋼材的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不同形態(tài)的影響，從而改變鋼材的整體性能。本文在選擇現(xiàn)有軋制工藝條件下，研究不同化學(xué)元素對(duì)建筑鋼材性能的影響，發(fā)揮出不同等級(jí)元素的沉淀效果，生產(chǎn)具有最優(yōu)性能力學(xué)的工程材料[1]。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備選取

采用鋼材測(cè)定硬度儀器和光學(xué)顯微鏡，通過(guò)終端軋制工藝后的冷卻鋼材測(cè)定化學(xué)成分，在其表面純粹表層和中間過(guò)渡層，分別對(duì)鐵素體和奧氏體進(jìn)行顯微組織測(cè)量。利用LABSPARK1400直讀光譜儀和ICP-MS光譜質(zhì)譜儀器， ON-3500氧氮?dú)浞治鰞x分別對(duì)不同溫度下軋制工藝下的鋼材進(jìn)行組織性能測(cè)定，比較相同工藝下化學(xué)元素對(duì)建筑鋼材的性能影響狀況。為制定合理的鋼材制作工藝提供有利條件。在熱機(jī)制的研究中主要對(duì)直線切割機(jī)進(jìn)行采取，并且在光學(xué)顯微鏡和掃描儀等設(shè)備下完成此次實(shí)驗(yàn)。

1.2 原料和成分設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取的材料以標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)不銹鋼材料為基礎(chǔ)，在二次加料的過(guò)程中對(duì)各類合金進(jìn)行配料冶煉，每組材料的添加標(biāo)準(zhǔn)為鉻含量不能超過(guò)30%，鎳含量不能超過(guò)5%，銅含量設(shè)定為3.5%，其次碳和磷的含量均小于0.05%[2-4]。原料均為工業(yè)純鐵和金屬樣板以及微碳鉻鐵。稀土可以減少鋼材中雜物的數(shù)量，能夠控制雜物的形態(tài)分布，以此改善實(shí)驗(yàn)鋼材的力學(xué)性能，對(duì)固溶晶粒中在源稀土粒子增加含量，促使其能夠引起晶體的畸變，使鐵素體和奧氏體晶粒中的內(nèi)容物密度錯(cuò)位。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 工藝選擇

在軋制過(guò)程中，連續(xù)加熱鋼材，試樣溫度從200℃開(kāi)始，依次增加至800℃、1000℃、1200℃和1450℃五個(gè)不同層級(jí)的保溫序列，并且在淬火加工時(shí)，保證每個(gè)試樣樣品的尺寸保持在45mm×45mm×45mm大小的正方體。在每次升溫過(guò)程中，對(duì)熱模機(jī)中的樣品進(jìn)行8分鐘的冷卻，隨之按照10s每次的變形速度進(jìn)行軋制變形，進(jìn)而通過(guò)自回火控制完成制品的冷卻和回縮。制備完畢后，利用金剛石對(duì)制品進(jìn)行拋光，直到試樣表面完全平整沒(méi)有劃痕，用酒精清洗晾干鐵塊試樣，同時(shí)，在待觀察的組織中，加入防腐試劑（氧化銅8g、鹽酸和水各1200ml）。

2.2 樣品制備

在對(duì)合金材料的入爐前進(jìn)行水分的烘干處理，打磨掉所有料皮，保證材料表面的清潔，在同等大小的合金材料尺寸裁剪下，對(duì)大塊的合金材料進(jìn)行切割，分成兩部分進(jìn)行進(jìn)爐軋制。在裝料過(guò)程中，按照設(shè)定的順序完成純鐵和純鎳的直加入，每次加料時(shí)，注意上松下緊，保證干鍋狀態(tài)下預(yù)熱材料的鋪墊。按照選擇工藝進(jìn)行三組樣品的制備，每組合金材料的具體組成成分如下表1所示。

表1 合金原料化學(xué)成分（%）

根據(jù)各類合金材料的化學(xué)成分，剔除冶煉過(guò)程中的氧化量，并且分別對(duì)各類元素的熱加工回收率進(jìn)行有效控制，保證每個(gè)梯度內(nèi)實(shí)驗(yàn)鋼種保持足夠成分的鐵元素和固氮元素。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分測(cè)定

實(shí)驗(yàn)鋼材中的基礎(chǔ)化學(xué)成分直接采用直讀光譜儀進(jìn)行分析，包括稀土Ce和N的含量，在測(cè)試樣品的鋼板上選擇不同位置進(jìn)行切割。每個(gè)位置的切割線采取15mm×15mm×15mm的尺寸進(jìn)行組織觀察，利用砂質(zhì)進(jìn)行鋼塊氧化層的鐵皮打磨，盡量還原鐵塊表面的光亮度，保證其鋼塊表面不存留任何雜物。不同部位選取潔凈鐵屑重量選擇約為1.5g，每次打磨分為粗磨和細(xì)磨兩個(gè)部分，其中粗磨時(shí)，選用15#-600#型號(hào)的砂質(zhì)進(jìn)行依次沿邊打磨，通過(guò)600#以上的砂質(zhì)進(jìn)行輕力度修整。在顯微鏡自帶的能譜分析儀中進(jìn)行夾帶化學(xué)成分的分析，1號(hào)樣品中僅存在稀土Ce0.042%，2號(hào)樣品中含有0.56%的Ti元素，3號(hào)樣品包含兩種成分，分別為0.052%的Ce和0.54%的Ti。根據(jù)以上樣品中的化學(xué)元素含量，對(duì)制備的鋼材進(jìn)行室溫環(huán)境下拉伸應(yīng)力檢測(cè)。

3.2 拉伸應(yīng)力分析

在室溫條件下不銹鋼鋼材中奧氏體和鐵素體的硬度值會(huì)產(chǎn)生不同影響，造成拉伸應(yīng)力的變化，利用固溶處理的方式檢測(cè)處理后每組樣品中奧氏體的鐵素體的不同含量。在進(jìn)行四次熔爐后，每組樣品的奧氏體組織均比鐵素體的硬度大，表明在添加稀土微量元素后能夠均勻和細(xì)化鋼體的晶粒尺寸，對(duì)細(xì)化晶粒在一定程度上產(chǎn)生強(qiáng)化。在以上不同含量的樣品中，對(duì)外在荷載進(jìn)行彈性變形測(cè)試，在外加荷載逐漸上升期間，試樣發(fā)生回彈，表示其可以承受的最大應(yīng)力值，隨之應(yīng)力減少，試樣產(chǎn)生縮頸發(fā)生斷裂，下圖1為三組樣品在不同應(yīng)變能力情況中，承擔(dān)的應(yīng)力值變化曲線。

圖1 應(yīng)力拉伸變化曲線

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知樣品3的應(yīng)力曲線高于樣品1和樣品2 ，其抗拉強(qiáng)度分別高出了90MPa和145MPa，說(shuō)明在鋼材中加入Ti和Ce可以明顯提高其強(qiáng)度。在完成拉伸應(yīng)力檢測(cè)后，本文測(cè)量斷裂切口的形態(tài)，分析不同化學(xué)成分對(duì)端口內(nèi)韌窩的排列影響，其中孔洞越大說(shuō)明鋼材內(nèi)雜物分布的數(shù)量越多，孔洞均勻且較小的排列表明，該鋼材內(nèi)基本不存在雜物，其整體的可塑性較強(qiáng)，顯微鏡觀測(cè)到的三組斷口如圖2所示。

圖2 拉伸斷口形態(tài)樣貌

根據(jù)圖中內(nèi)容可知，樣品1含有0.042% 的Ce，在其斷口處的韌窩數(shù)量較少，且分布均勻，能夠?qū)鞆?qiáng)度產(chǎn)生較大影響，極少存在雜物，但是可塑性不強(qiáng)。樣品2僅含有0.56%的Ti元素，出現(xiàn)的端口韌窩較大較深其拉伸強(qiáng)度提升并不大。樣品3中沒(méi)有較大孔深存在，所有分布的孔洞均有序排列，說(shuō)明稀土Ce和Ti元素的共同作用對(duì)鋼材的拉伸性能提升的作用更大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從選擇多個(gè)檢測(cè)設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)配下，通過(guò)加熱和冷卻兩次軋制工藝進(jìn)行鋼材樣本的制備，在測(cè)定不同樣品中化學(xué)元素的含量后，完成應(yīng)力拉伸的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)我坏膶?duì)鋼材中加入稀土元素或者Ti元素只能強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無(wú)法提高其可塑性。在稀土元素和Ti元素含量分別為0.052%和0.54%時(shí)，樣品承擔(dān)的應(yīng)力值最高，且形成的斷口韌窩分布均勻，沒(méi)有產(chǎn)生雜質(zhì)。但是在研究過(guò)程中，沒(méi)有考慮冷卻模式下化學(xué)元素的集聚效果，無(wú)法作出鋼材性能的兼顧狀態(tài)下的準(zhǔn)確判斷，得出的結(jié)果具有一定的偏差性。在后續(xù)研究中會(huì)綜合考慮軋制過(guò)程中，不同化學(xué)元素的自身變化情況，選擇最適宜的加工熱度和冷卻時(shí)間，為提高鋼材的性能提供更有利的指導(dǎo)理論。