HRB400细晶粒热轧带肋钢筋的时效性能分析

2011-09-21郑宁

中国钢铁业 2011年11期

郑宁

郑宁

通过对昆钢试验生产的HRB400细晶粒热轧带肋钢筋的自然时效和人工时效性能试验分析，得出昆钢生产的HRB400细晶粒钢筋时效后力学性能呈一定的规律性变化，主要表现为钢筋时效后屈服强度有一定下降，抗拉强度的变化不明显，伸长率平均升高了3个百分点，时效不影响钢筋的使用，并且自然时效后，钢筋的综合性能得到了提高。

HRB400细晶粒钢筋力学性能自然时效人工时效综合性能

1.前言

一般来说，时效就是钢（或合金）经高温奥氏温度后快冷，其固溶体中的溶质元素（合金元素）处于过饱和状态，如果在室温或某一定高温下溶质原子仍具有一定的扩散能力，那么随时间的延续，过饱和固溶体中的溶质元素将发生脱溶（或析出），从而使钢（或合金）的性能发生变化的现象。如果时效过程是在室温下经较长时间而产生，就称为自然时效。如果时效过程是人为加热到一定温度加速时效的过程，叫人工时效。

现在国内大多数轧钢厂生产的HRB400细晶粒热轧带肋钢筋一般采用热轧空冷的方法生产，主要工艺是在冶炼过程中加钒氮合金或铌铁。其中钒（或铌）的含量平均在0.045%左右，这种方式生产的优点是生产的钢筋性能稳定，轧制过程中不需要特殊的控轧控冷。但是，随着钒氮（或铌铁）合金价格的迅速提高，加之合金的使用量过多，对企业来说生产成本会有大的提高，并且，从国家资源战略可持续发展的角度来分析，这种生产方式也是不经济的。为生产符合标准要求，又不需增加过多生产成本的细晶粒带肋钢筋，各带肋钢筋生产企业都在寻找更科学、又比较经济的生产方式。

从2004年开始，昆钢在综合考虑社会各种因素及自身条件的基础上，通过技术攻关，研究开发出了有自我特色的HRB400细晶粒钢筋的生产工艺。根据生产工艺装备情况，确定了适宜的化学成分、合理的加热制度和压下制度，摸索出生产HRB400细晶粒热轧带肋钢筋的有三个余热处理阶段的冷却工艺：一是淬火热处理阶段，在这阶段钢筋表面获得一定厚度的马氏体淬硬层，但芯部仍保持在单一的奥氏体区；二是自回火热处理阶段，在这阶段钢筋通过热传导，热量从芯部传到已淬火的表面，淬火热处理形成的马氏体得到自回火，使其在保持高强度的同时，又有足够的韧性；三是自然冷却阶段，在这阶段钢筋在冷床上自然冷却，芯部未转变的奥氏体发生中低温转变。最终组织类型取决于钢的成分、终轧温度和淬火热处理的冷却效果与冷却时间。钢筋横断面上组织分为三层：表面层组织为回火S、过渡层组织为S+P及芯部组织为P+F+B(少量)。钢筋的力学性能取决于三层的组织构成及三层所占的比例。

用这种方式生产HRB400细晶粒钢筋的优点是在大幅度降低合金的基础上，利用余热处理的方式充分发挥材料的潜能，并保证不影响材料的综合性能。昆钢按此工艺生产的HRB400细晶粒钢筋合金（V、Nb）的含量可以降低为一般热轧HRB400钢筋含量的1/4左右。根据大量的试验，试验生产的HRB400细晶粒钢筋的综合性能却仍然有很大的富裕。主要原因是试验生产的HRB400细晶粒钢筋与一般热轧HRB400钢筋在冷却方式上不同。

为了保证细晶粒钢筋的使用性能，使用户放心使用昆钢生产的HRB400细晶粒钢筋，通过大量试验，昆钢对所试验生产的HRB400细晶粒钢筋的时效性能进行了系统的研究分析，结论是：时效不影响钢筋的使用，时效对钢筋的综合性能是有利的。

2.试验方案

在棒材生产线，在试验HRB400细晶粒钢筋时，每种规格分10次随机抽取50个炉批试样，每次抽取5个炉批，每个炉批按头、中、尾均匀抽取4支5m-6m的非定尺试样，每次共计抽取20支试样，每支试样上取10个拉力样，其中1个基准拉力样、一个人工时效样和8个自然时效样。基准拉力样当日检验，人工时效样在2天内热处理（人工时效）并检验，自然时效样按时效周期进行时效试验，时效周期分别为：7天、14天、21天、30天、60天、90天、180天、360天，自然时效样在规定的时效周期满后当日检验。

3. 试验结果及分析

3.1 HRB400细晶粒钢筋自然时效情况

通过统计, 细晶粒钢筋自然时效后，不同规格的变化规律相似。但是规格越大，时效越明显。以下以Ф25的HRB400细晶粒钢筋为例进行分析，结果见图1、图2、图3、图4。

从以上看出，规格越大，细晶粒钢筋屈服强度下降的值越大，Φ16屈服强度下降的平均值最小，Φ 18、Φ22次之，Φ25最大。自然时效后，细晶粒钢筋屈服强度普遍有所降低，在时效1周内降低最明显，平均降低10MPa左右。随着时间的推移，变化不是很大；抗拉强度在小范围内波动，总体变化不大；伸长率平缓升高，90天后基本稳定，升高幅度为3个百分点左右。

3.2 HRB400细晶粒钢筋人工时效的情况

通过人工时效试验后，不同规格的变化规律与自然时效相似。在试验过程中，规格为Φ22的变化比较明显。以下以Ф22的HRB400细晶粒钢筋为例进行分析，结果见图5、图6、图7。

从以上可以看出，人工时效后，细晶粒钢筋屈服强度普遍下降，平均下降16 MPa左右，抗拉强度有所上升，平均上升大约5 MPa，伸长率平均提高2.4个百分点。

3.3.试验结果分析

从图1可以看出，细晶粒钢筋屈服强度自然时效后下降，说明应力为压应力。产生原因主要是钢筋在淬火过程中产生的淬火应力。淬火产生的淬火应力大部分在随后的回火过程中得到释放，未得到释放的部分滞留在材料内，这部分应力使晶格发生畸变，改变了金属原子间的距离。在自然时效过程中，由于试样环境温度的变化引起的钢筋体积的膨胀或收缩，使部分应力松弛，因此，自然时效后屈服强度下降。并且，不同的规格，屈服强度的下降的程度是不一样的。钢筋在冷却时，不同规格的冷却强度是不同，规格越大，冷却强度越大，穿水层面积就越大，产生的淬火应力也就越大，发生畸变的金属原子也就越多，恢复到平衡位置金属原子所释放的应力就大。因此，屈服下降就更明显。

细晶粒钢筋的抗拉强度主要取决于材料的成分、组织和晶粒度，而成分、组织和晶粒度在时效过程中随时间一般不变，因此，细晶粒钢筋的抗拉强度时效变化不明显。随着内应力的降低，材料塑性有所提高，表现为伸长率升高了3个百分点左右。

从（图4、图5、图6）可以得出，人工时效后，力学性能发生了较大的变化，分析其原因，本文认为主要有以下几点：（1）人工时效与自然时效不同。因为人工时效是在一定温度下进行，所以人工时效能为发生畸变的金属原子提供一定的驱动力，结果是使能恢复到平衡位置金属原子增多，所释放的应力就更大。理论上，自然时效只能消除10%左右的残余应力，人工时效消除残余应力比自然时效效率高得多，它能消除50%～80%的内应力，这就是屈服强度下降比较明显的原因；（2）从HRB400细晶粒钢筋的轧制工艺可以得知，由于冷却速度很快，必然会出现过饱和的晶粒组织，在随后析出的充分与否，取决于随后的回火温度和在一定温度范围内的保温时间。因此，本文试验过程中出现的抗拉强度升高，可能是析出强化的作用。但是由于温度较低（人工时效温度为300℃），原子扩散困难，因此析出强化效果不大，与淬火应力对屈服强度的影响相比，这点析出强化作用是很小的，所以屈服强度普遍降低。

4.时效对细晶粒钢筋综合性能的影响

从试验中已经得出，由于静态回复机制的作用，使得钢筋在时效前和时效后的力学性能指标呈规律性变化。具体表现为：屈服强度下降，抗拉强度变化不明显，伸长率上升。从试验的结果来看，钢筋屈服强度的变化范围为-5 MPa至-25 MPa之间，平均降幅为16 MPa左右；抗拉强度变化范围在-5 MPa到-10 MPa之间，平均变化为5 MPa；伸长率平均提高幅度在1.5%-4.5%之间，平均提高3%。

昆钢试验生产的HRB400细晶粒钢筋无论是屈服强度还是抗拉强度，性能的富裕量平均比GB 1499—1998标准要求高40 MPa-50 MPa以上，昆钢对热轧带肋钢筋的性能控制要求也远大于时效产生的最大影响，因此，时效对昆钢生产的HRB400细晶粒钢筋的使用没有影响，相反，通过统计，昆钢试验生产的HRB400细晶粒钢筋时效后，除了上文提到的塑性指标得到提高以外，诸如抗震指标也得到明显的提高。见图8。