軋制溫度對Φ50 mm HRB500E反彎性能的影響

張華偉， 欽祥斗， 李建賓 ， 田 力

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

隨著國家對建筑工業安全要求的提高，以及加快淘汰低強鋼筋，實現建筑鋼材升級換代，減少鋼材使用量，建設節約型，2018年11月1日正式執行GB/T 1449.2-2018《 鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標準，取消了355 MPa級鋼筋，增加了600 MPa級鋼筋[1-3]。因此，400、500 MPa級的鋼筋將作為普通產品，大量用于國內的建筑業，必將使國內建筑物的安全性進一步的提高。HRB500E是一種屈服強度不小于500 MPa的熱軋帶肋鋼筋[4]，其中E是“地震”英文(Earthquake)的首字母縮寫，在GB/T 1499.2-2018中規定鋼筋反向彎曲試驗作為帶E鋼筋牌號的常規檢驗項目。鋼筋反彎試驗是指先將測試鋼筋正向彎曲90°，把將正彎曲后的試樣在100±10 ℃溫度下保溫不小于30 min，經自然冷卻后再反向彎曲20°(當供貨方能保證鋼筋經人工時效后的反向彎曲性能時，正向彎曲后的試樣亦可在室溫下進行反向彎曲)，鋼筋受彎曲部位的表面不得產生裂紋或發生斷裂[5]。

某鋼廠生產的直徑為50 mm的HRB500E鋼筋在進行加嚴反彎試驗(正向彎曲90°，不經過熱處理，反向彎曲30°)時發生部分試樣斷裂現象，為保證產品質量，對終軋溫度進行調整，反彎斷裂現象消失，進一步研究斷裂試樣和合格試樣的區別，得出軋制溫度對抗震鋼筋反彎性能的影響較大。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

本文選用相同爐號軋制溫度不同的Φ50 mm HRB500E鋼筋作為研究對象，化學成分如表1所示。斷裂的試樣為1#試樣，合格的試樣為2#試樣，兩組試樣的軋制前的加熱工藝相同， 開軋溫度和終軋溫度不同，軋制溫度如表2 所示，軋后空冷。

表1 HRB500E鋼的化學成分/%

表2 HRB500E鋼的軋制工藝

1.2 試驗方法

使用YJM-50彎曲試驗機對不同軋制工藝的試樣進行反彎試驗，對斷裂的1#試樣進行宏觀拍照，使用SIGMA300掃描電鏡對1#試樣的斷口的斷裂源、擴展區和瞬斷區進行觀察，分析斷裂類型；再將1#試樣的斷口沿斷裂源、擴展區和瞬斷區縱向剖開，并使用Axio Imager M2m蔡司金相顯微鏡進行觀察，分析斷裂過程中的裂紋擴展情況。取1#試樣和2#試樣的未變形段，橫向切開，使用金相顯微鏡觀察組織，并對比不同軋制溫度HRB500E鋼的組織。

2 試驗結果及分析

2.1 斷口相貌分析

Φ50 mm HRB500E鋼筋進行反彎試驗時，先正彎90°，彎曲過程的內弧受壓應力，外弧面受拉應力，再反向彎曲30°時，受壓應力的內弧面變為受拉應力，應力的轉變導致試驗的HRB500E鋼筋的內弧面易出現裂紋甚至斷裂現象。

圖1(a)為Φ50 mm HRB500E鋼筋宏觀斷口的俯視圖，斷裂過程是由試樣的表面開始、擴展直至發生完全斷裂，斷裂源在試樣反彎試驗的內弧面的表下，斷裂源所占斷口的面積較小，擴展區和瞬斷區所占斷口的面積較大，試樣的斷口變形量較小，由此可知，試樣在反彎試驗時，發生了脆斷。由圖1(b)可知，斷裂過程的斷裂源，正對鋼筋的橫肋的根部，由于熱軋鋼筋橫肋的存在，鋼筋的橫截面會周期性的發生變化，且橫肋凸出于鋼筋圓形截面，在反彎試驗的正彎時，橫肋發生變形較小，橫肋的根部發生變形較大，在進行反向彎曲30°時，橫肋的根部仍然為受力的集中區域，以橫肋根部為裂紋源的反彎斷裂現象就會發生。

圖1 Φ50 mm HRB500E鋼筋宏觀斷口形貌

Φ50 mm HRB500E鋼筋的斷口由三部分組成，分別為斷裂源、擴展區和瞬斷區，使用SIGMA300掃描電鏡對三個區域分別觀察。圖2(a)和(b)為Φ50 mm HRB500E鋼筋斷裂源的斷口形貌，圖2(b)為圖2(a)中的矩形框內的放大的斷口形貌。由圖2(b)可知斷裂源處的斷裂模式為準解理斷裂，在小斷裂面上存在河流花樣，但在小斷面之間有撕裂嶺；準解理裂紋的擴展一般是在已經發生一定塑性變形的晶粒中進行[6]，Φ50 mm HRB500E鋼筋在反彎試驗過程中，先正彎90°，使鋼筋的彎曲內弧面發生擠壓變形，再進行反彎30°時，在試驗鋼筋橫肋的根部的臨近區域，產生裂紋并擴展，形成的準解理的斷裂形貌。圖2(c)和(d)為Φ50 mm HRB500E鋼筋擴展區的斷口形貌，圖2(d)為圖2(c)局部區域放大的斷口形貌。由圖2(d)可知擴展區的斷口主要為解理斷口，具有明顯的河流花樣和扇形花樣的特征，但在局部的區域仍然有撕裂嶺的存在，和圖2(b)相比，擴展區斷口的解理面較大，撕裂嶺較少，有扇形花樣，這表明在裂紋的擴展時，速度較快。圖2(e)和(f)為Φ50 mm HRB500E鋼筋瞬斷區的斷口形貌，試驗鋼筋的瞬斷區較小，斷裂形貌為剪切韌窩，在裂紋擴展的末端，試樣受到切應力的作用，形成拋物線或橢圓狀的韌窩。

2.2 裂紋擴展過程分析

將試驗鋼筋的斷口沿斷裂源、擴展區和瞬斷區縱向剖開，使用金相鑲嵌粉進行鑲嵌后，使用Axio Imager M2m蔡司金相顯微鏡觀察縱向剖開面，并研究裂紋在每個區域的擴展情況。

圖3(a)為Φ50 mm HRB500E鋼筋斷裂源處斷口縱剖面的顯微組織，試驗鋼筋進行反彎試驗時，先正彎90°，這使試驗鋼的彎曲的內弧面受壓應力，使斷裂源區域的組織發生變形；圖3(b)為圖3(a)矩形框內的組織的進一步放大，試驗鋼筋的組織為鐵素體+珠光體，經過反彎試驗后，鐵素體和珠光體組織都被擠壓成帶狀組織，變形量較大，由于該區域的組織發生了較大的塑性變形，裂紋在發生塑性變形的晶粒中擴展形成了準解理的斷裂形貌，裂紋的擴展方向和擠壓形成的變形帶狀組的方向相同，且為穿晶斷裂。圖3(c)為試驗鋼筋的擴展區斷口縱剖面的顯微組織，裂紋在該區域擴展時，多個解理裂紋會同時存在，相互平行的裂紋逐漸擴展，并通過二次解理形成解理臺階，也實現了主裂紋在不同的解理面之間的轉移，主裂紋在發生解理面的轉移時，原解理面的裂紋還會繼續測擴展，形成二次裂紋，如圖3(d)所示，主裂紋和二次裂紋在試驗鋼筋中的擴展方式是相同的都為穿晶斷裂，且裂紋既穿過鐵素體也穿過珠光體。圖3(e)為試驗鋼筋的瞬斷區斷口縱剖面的顯微組織，瞬斷區的斷裂方式仍為穿晶斷裂，裂紋擴展較平直；由圖3(f)可知，斷口處的組織有明顯的變形，但變形的區域很淺，只有幾個晶粒的深度，這也表明試驗鋼筋在斷裂的末端，受到的是剪切應力的作用。

2.3 不同軋制溫度試樣組織和硬度變化

圖4為Φ50 mm HRB500E鋼筋不同軋制溫度橫肋根部顯微組織。分別取兩組試樣的橫截面進行觀察，圖4(a)為1#試樣的橫肋根部的組織，圖4(b)為其局部區域的放大，由金相照片可知，1#試樣的組織主要為鐵素體+珠光體，在局部區域有魏氏組織；其魏氏組織是由針狀鐵素體+珠光體團+少量的貝氏體組成。對1#試樣的鐵素體和珠光體的尺寸進行統計計算，鐵素體晶粒的平均尺寸為14.8 μm,局部區域的珠光體團尺寸大于50 μm，鐵素體的含量61.7%。由圖4(c)和(d)可知，2#試樣的組織鐵素體+珠光體，與1#試樣相比，2#試樣的組織更加均勻細小，經過統計計算，鐵素體晶粒的平均尺寸為10.3 μm小于1#試樣的14.8 μm，珠光體團的尺寸均小于30 μm，鐵素體的含量為70.1%，高于1#試樣，且無魏氏組織存在，塑韌性較好，在實際生產的反彎試驗過程中，無斷裂現象發生。

圖4 Φ50 mm HRB500E鋼筋不同軋制溫度橫肋根部顯微組織

從兩者的對比結果可知，當其它工藝相同時，較高的軋制溫度，鐵素體和珠光體團的晶粒尺寸較粗大，鐵素體的含量減少，且易生成魏氏組織，使試樣的反彎性能下降。不同的軋制溫度，試樣軋制后的奧氏體的晶粒不同。較高的軋制溫度，軋后的奧氏體的晶粒較粗大，在向鐵素體和珠光體轉變時，形核點較少轉變后的鐵素體的晶粒較粗大；由于在轉變過程中，鐵素體先析出長大，碳元素向未轉變的奧氏體富集，在較慢的冷卻速度下，有魏氏組織生成，且在較大的珠光體團中間有少量的貝氏體組織。

圖5為1#和2#試樣的從橫肋根部向試樣心部的硬度變化曲線，隨著距離邊部的距離增大，1#試樣的維氏硬度先快速的增大，又逐漸的減小，最終于2#試樣的硬度趨于一致，這表明在1#試樣的近表面的組織和2#試樣的組織不同，隨著距離邊部的距離增大，組織逐漸相同。結合圖4的組織分析，1#試樣的硬度升高，是由于近表處，有含有貝氏體的魏氏組織生成，經過反彎試驗的加工硬化，會使該區域的硬度進一步的升高，脆性增大，在反向彎曲30°時，產生裂紋并發生斷裂。

圖5 Φ50 mm HRB500E鋼筋不同軋制溫度的維氏硬度

3 結 論

(1)軋制溫度影響Φ50 mm HRB500E鋼筋反彎性能，隨著軋制溫度的降低，鐵素體和珠光體團的尺寸在減小反彎性能提高。

(2)Φ50 mm HRB500E鋼筋反彎試驗的裂紋源在橫肋根部，斷裂源處為準解理斷裂，擴展區為解理斷裂，瞬斷區為塑性斷裂，形貌為剪切韌窩。

(3)Φ50 mm HRB500E鋼筋近表處的含有貝氏體的粗大魏氏組織，使其硬度增加，反彎性能降低。