馮紫萱，李 軻

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 勉縣 724200）

建筑用鋼在我國鋼材產(chǎn)品中占比最大，在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，隨著市場需求的不斷提高，高強(qiáng)度、大規(guī)格建筑用鋼的生產(chǎn)也在不斷增加。HRB500E 具有強(qiáng)度高、塑性好、可焊性優(yōu)良等優(yōu)點[1]，某公司生產(chǎn)的Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋，在進(jìn)行彎曲試驗時發(fā)生了彎曲斷裂，為了避免類似的情況再次發(fā)生，有必要對Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋彎曲斷裂原因進(jìn)行分析。

1 試驗材料及方法

以某公司生產(chǎn)的Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋彎曲斷裂試樣為試驗材料，分別采用直讀光譜儀、氧氮氫分析儀、金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等儀器，對試樣進(jìn)行化學(xué)成分、氧氮氣體含量、微觀組織、非金屬夾雜物、斷口形貌和能譜分析，分析得出導(dǎo)致彎曲斷裂的主要原因。

2 理化檢驗

2.1 化學(xué)成分

在彎曲斷裂試樣上斷口的另一頭截取一小節(jié)約2 cm 高的試樣，用直讀光譜儀檢測，檢測結(jié)果如表1所示，符合國標(biāo)GB/T 1499.2—2018 要求。

表1 彎曲試樣化學(xué)成分 %

2.2 氧氮含量

在彎曲斷裂試樣上用線切割機(jī)截取直徑5.5 mm長10 cm 的試樣，再經(jīng)過打磨制樣成1.0 g 左右的試樣，用氧氮氫分析儀分析氧氮含量，檢測結(jié)果如表2所示，氮含量稍有偏高。

表2 彎曲試樣氧氮分析結(jié)果

2.3 金相檢驗

在彎曲斷裂試樣上用線切割機(jī)截取高約2.5 cm橫截面試樣，經(jīng)過磨制拋光腐蝕，發(fā)現(xiàn)試樣心部有一處偏析，其顯微組織（如圖1、圖2）為網(wǎng)狀鐵素體+粗大珠光體，經(jīng)測定珠光體含量為82.19%，試樣基體顯微組織為鐵素體+珠光體，經(jīng)測定珠光體含量為47.84%。可以發(fā)現(xiàn)心部珠光體含量大約是基體珠光體含量的2 倍，而心部的珠光體含量也遠(yuǎn)超過鐵碳相圖杠桿定律計算出的珠光體含量，從而可以得出試樣組織不均勻且珠光體含量超標(biāo)的結(jié)論。

圖1 心部偏析

圖2 網(wǎng)狀鐵素體+粗大珠光體

截取縱截面，經(jīng)磨制、拋光后，試樣縱截面存在硅酸鹽類夾雜物，級別為粗系2.0 級。

2.4 宏觀分析

截取試樣上的彎曲斷口，宏觀形貌如圖3 所示，斷口較為平整且為放射狀花樣，無明顯塑性變形，斷裂源靠近試樣表面處。

圖3 宏觀斷口

2.5 掃描電鏡及能譜分析

斷口用掃描電鏡觀察，斷裂源處形貌如下頁圖4、圖5，可見斷裂源處有一個顆粒物和很多韌窩，但此韌窩并不是典型的韌性斷裂特征，因為韌窩內(nèi)有顆粒狀或條狀物質(zhì)。用能譜分析顆粒物結(jié)果主要為硅錳酸鹽類夾雜物，韌窩內(nèi)顆粒物能譜結(jié)果主要是硫化錳。裂紋擴(kuò)展區(qū)經(jīng)過觀察主要呈現(xiàn)出粗大的解理平面，為典型的解理斷裂特征。

圖4 斷裂源

圖5 韌窩

3 分析討論

據(jù)悉某公司在生產(chǎn)Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋時，為了有效降低成本在加入了較少釩的同時增加了氮含量，根據(jù)文獻(xiàn)顯示[1-3]當(dāng)?shù)枯^高時釩的析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用提高，而析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化對于屈服強(qiáng)度提升較為明顯，對于抗拉強(qiáng)度提升不太明顯，易造成強(qiáng)屈比降低。而彎曲斷裂試樣的氮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為235×10-6，為了對比氮含量是否合適，筆者找來一些彎曲合格的試樣，通過檢測發(fā)現(xiàn)氮含量顯示平均值為160×10-6，筆者認(rèn)為氮含量稍偏高是有效增加了屈服強(qiáng)度，但是卻同時降低了鋼材的塑韌性，因此氮含量偏高是造成彎曲斷裂的一方面原因。

另外彎曲斷裂試樣的心部存在偏析，偏析處顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體和粗大珠光體，而正常微觀組織應(yīng)該是均勻的鐵素體和珠光體。HRB500E 是亞共析鋼，根據(jù)相變規(guī)則，隨著溫度的降低，奧氏體晶界上首先析出鐵素體，再形成珠光體，如果冷速較快C 曲線右移，鐵素體析出量減少，珠光體較多，而珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，珠光體增多，鐵素體減少，則意味著強(qiáng)度增高，塑韌性降低。而較高的加熱溫度使奧氏體晶粒粗大，加之較大的冷卻速度等溫溫度較低，造成粗大的珠光體，并使鐵素體易呈網(wǎng)狀分布，網(wǎng)狀鐵素體的存在嚴(yán)重割裂了珠光體之間的相互作用，降低了鋼材的機(jī)械性能，易導(dǎo)致脆性斷裂[4-6]。

斷口掃描分析時發(fā)現(xiàn)硅錳酸鹽夾雜物和韌窩內(nèi)硫化錳夾雜物，由于夾雜物與基體的結(jié)構(gòu)不同、應(yīng)力傳遞方式不同，當(dāng)試樣受到外力作用時，由于夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性，使應(yīng)力在此集中萌生裂紋，形成裂紋源，由于粗大的珠光體和網(wǎng)狀鐵素體使鋼材強(qiáng)度增加韌性降低，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致開裂[7]。

4 結(jié)論及建議

1）較高的氮含量、粗大的珠光體+網(wǎng)狀鐵素體和硅錳酸鹽、硫化錳夾雜物是導(dǎo)致Φ40 mm HRB500E熱軋帶肋鋼筋彎曲斷裂的主要原因；

2）建議在保證屈服強(qiáng)度的同時合理控制鑄坯中的氮含量；

3）建議在實際生產(chǎn)中適當(dāng)降低鑄坯加熱溫度和軋后冷卻速度，減少粗大珠光體和網(wǎng)狀鐵素體的生成；

4）在澆注過程中減少鋼水波動保持穩(wěn)定，合理調(diào)整吹氬參數(shù)，減少鋼內(nèi)殘留的夾雜物。