500 MPa级热轧带肋盘条力学性能不足原因分析

马　杰，王　超，张朝辉，赵福才，王贺龙

(西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 710055)



500 MPa级热轧带肋盘条力学性能不足原因分析

马杰，王超，张朝辉，赵福才，王贺龙

(西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 710055)

针对某钢厂生产500MPa级热轧带肋盘条时出现力学性能不足的问题，采用化学成分分析、显微组织分析、断口扫描分析以及夹杂物分析等方法进行研究。结果表明，钢中大量的魏氏体和上贝氏体的存在，以及大颗粒夹杂物含量过多、分布较集中是导致HRB500E热轧带肋钢筋力学性能不足的主要原因。可通过吹氩促进夹杂物上浮来均匀钢水成分，控制冷却条件来减少异常组织以解决该问题。

HRB500E钢筋；力学性能；夹杂物；异常组织

HRB500E钢筋韧性好、强度高以及抗震性能良好，可以满足高层、超高层建筑和大型框架结构等对高强度、大规格钢筋的需求。用它取代HRB335钢筋，可以节约用量28%以上；取代HRB400，可节约14%的用量，这样不仅能提高钢筋的抗震性及其他性能，满足我国乃至世界各国对于抗震结构材料强度的需求，同时还能节约能源，减少污染气体和粉尘的排放，符合国际低碳经济的要求。

某钢厂在生产HRB500E热轧带肋盘条过程中出现力学性能不足的问题，影响了钢材的质量和企业的经济效益。由于HRB500E钢筋的力学性能主要由C、Mn、Si和V等元素的含量及金相组织、非金属夹杂物等决定[1-3]，因此，本文从成分、金相组织和非金属夹杂物等3个方面来分析出现力学性能不足的原因。

1　试验过程

1.1生产工艺

龙钢生产HRB500E热轧带肋盘条的工艺流程为：高炉炼铁→混铁炉→转炉→吹氩站(氮气或氩气)→连铸→热轧。生产过程中利用硅锰、硅铁、碳化硅、铝锰铁、硅钙钡和氮化钒进行脱氧合金化及增碳。

1.2试验方法

为分析HRB500E热轧带肋盘条力学性能不足的原因，试验中所选取的试样来自于拉伸试验力学性能不足的产品。利用扫描电镜对断裂试样进行断口分析；利用光谱分析仪进行成分检测；利用金相显微镜观察和分析夹杂物的类别、数量和形貌；利用能谱仪分析夹杂物成分。试样力学性能见表1。

表1　试样力学性能

从表1数据可知，1#试样的屈服强度和抗拉强度均满足国家标准，但是断裂总延伸率偏低，强屈比低于国标；2#试样的屈服强度和抗拉强度均满足国家标准，但是屈服强度低于内控标准，断裂总延伸率低于国家标准；3#试样各项力学性能均合格。

2　试验结果与分析

2.1化学成分分析

将3个试样制成光谱试样，利用光谱分析仪检测3个试样的化学成分(见表2)，并与成分内控标准对比。

表2　试样化学成分(质量分数)　(%)

从表2可知，所有元素成分均在内控标准成分范围内，因此宏观成分不是导致力学性能不足的原因。

2.2断口宏观分析

对3个拉伸试样的断口进行宏观观察(见图1)，可知断裂面与拉伸应力垂直，断口均有明显的塑性变形，试样的几何尺寸发生了显著的变化，可知3个拉伸试样均为韧性断裂。

图1　宏观断口形貌

2.3断口微观形貌分析

利用扫描电镜对1#和2#试样进行断口微观形貌分析(见图2)，断口分布大量的韧窝，韧窝区孔洞较多，在韧窝底部存在有大量球状和不规则状的夹杂物，二次裂纹呈弧形分布。1#试样夹杂物能谱分析图如图3所示。由图2和图3可知，断口形貌以韧性断裂为主，有硫化物、氧化物和硅酸盐类复合夹杂物。夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性，容易引起应力集中，导致钢材形成裂纹或断裂，严重影响材料的力学性能[4-5]。

图2　断口微观形貌分析图

图3　1#试样夹杂物能谱分析图

2.4夹杂物分析

夹杂物作为钢中的有害物质，应严格控制其含量与级别。沿断口中心将试样切割成两半，经磨制、抛光后利用金相显微镜观察。由金相显微镜得到的试样局部放大图如图4所示，观察此图可以发现，夹杂物的数量较多，有成群聚集分布级别为C3s条形的硅酸盐类夹杂物和级别为粗系A3的条状硫化物。2#试样夹杂物能谱分析图如图5所示。

图4　夹杂物显微分析图

由图4和图5通过与标准图片进行对比和能谱分析判定夹杂物为Mn、Si等的氧化物、锰和铁的硫化物、以及含SiO2较低的低熔点硅酸盐等的复合夹杂物。其产生的主要原因有：1)脱落的耐火材料存在于钢水中；2)出现了保护渣卷渣现象；3)冶炼环节操作过程所致，如吹氩不足导致夹杂物没有充分上浮而存在于钢水中。

2.5金相显微分析

将力学性能不合格的HRB500E热轧带肋钢筋从断口背面10mm处截取并制备成金相试样进行观察，对照标准图谱。金相试样的取样方向为垂直于拉伸方向，然后磨制抛光，抛光后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，利用金相显微镜分析其金相组织(见图6)。

图5　2#试样夹杂物能谱分析图

图6　HRB500E金相组织

HRB500E热轧带肋钢筋合格的组织为铁素体晶粒+均匀分布的珠光体，铁素体+珠光体含量约为65%+35%，晶粒为7～8级。从图6中可以看出，1#试样局部金相组织为铁素体+珠光体+魏氏组织，参照GB/T13299—1991魏氏组织标准图谱可知，魏氏组织级别为1.5级；2#试样边缘局部区域的金相显微组织为铁素体+珠光体+大量魏氏组织+大量上贝氏体组织，可判断其魏氏组织级别为2.5级；3#试样的金相图片为铁素体+珠光体。

魏氏体组织和贝氏体异常组织的出现，均能导致钢的力学性能下降，魏氏体组织虽使钢的强度有所增加，但能使其塑性降低；上贝氏体能使钢的强度和塑性指标均变差[6]，这也和钢的实际性能检验结果相符。

3　解决措施

3.1组织控制

1)降低钢水过热度，加强控制二冷水量，防止钢材冷却速度过快。在西北环境温度低的冬季，可适当降低二冷配水量。

2)应严格控制吹氩工艺，及时调整吹氩压力、时间，注意合金加入时间及块度，避免化学成分不均匀及成分偏析。

3)严格控制加热温度、时间和终轧温度，防止奥氏体晶粒粗大。

3.2夹杂物控制

夹杂物控制因素较多，应予以全方位控制。可从夹杂物类型、数量、尺寸及分布等方面着手，最大限度地降低夹杂物的有害作用。

1)浇注环节应保证液面高度符合要求并减少波动，避免出现卷渣现象。

2)吹氩时间应充足，以促进夹杂物的上浮，确保钢水纯净度，同时也进一步提高成分的均匀程度[7]。

3.3轧制控制

1)严格按照规程进行连铸坯加热的控制，确保加热质量。

2)如出现异常情况(如连铸坯留在炉内)，按照不同钢种执行停轧降温，避免晶粒异常长大现象。

3)在热量不充分、加热温度偏低时，适当延长加热时间，确保合金元素充分溶入奥氏体中。对于钒微合金强化的钢筋，确保加热质量，目的是充分发挥强化元素作用，同时又不生成影响性能的异常组织[8-9]。

4　结语

通过上述分析，可以得出如下结论。

1)导致HRB500E力学性能不足的主要原因是夹杂物数量多、尺寸大且分布相对集中，存在魏氏体、上贝氏体组织等。

2)应制定严格的吹氩制度，吹氩压力、时间等应根据情况进行调整，以保证吹氩对消除偏析所起的重要作用。

3)应严格执行轧制工艺，控制加热温度、加热时间和终轧温度。

[1] 卢爱凤，栾兆亮，尹晏生，等.HRB400 热轧带肋钢筋延伸率偏低原因分析[J].新技术新工艺，2010(12)：70-72.

[2] 赵修领. 热轧带肋钢筋HRB335 强度不合原因分析[J].莱钢科技，2010，119(5)：40-42.

[3] 习晓峰，韩若洲，辛向明，等.HRB500热轧带肋钢筋延伸率偏低原因分析[J].天津冶金，2015(1)：40-42.

[4] 马幼平,鲁路.魏氏组织和氧化物对HRB335钢筋脆断的影响[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2002，34(3)：236-238.

[5] 刘金超，栾兆亮，赵蕾，等.热轧带肋钢筋(HRB400)力学性能指标低的原因分析[J].物理测试，2010,28(3)：35-39.

[6] 何肇基.金属的力学性质[M].北京:冶金工业出版社，1982.[7] 张朝辉，折媛，巨建涛.HRB335热轧带肋钢筋脆断原因分析[J].热加工工艺，2006,35(12)：67-69.

[8] 奕兆亮， 赵修领. 热轧带肋钢筋HRB335 强度不合原因分析[J]. 莱钢科技，2010，119(5)：40-42.

[9] 王建军.HRB400热轧带肋钢筋微氮合金化研究与应用[J].新技术新工艺，2014(5)：11-13.

责任编辑郑练

AnalysisofLowMechanicalPropertiesofHighStrength(HRB500E)HotRolledRibbedBars

MAJie,WANGChao,ZHANGChaohui,ZHAOFucai,WANGHelong

(CollegeofMetallurgicalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Forthelowmechanicalpropertyof500MPahotrolledribbedwire,methodssuchaschemicalcomposition,macrostructure,SEMoffracture,andslaginclusionsanalysisareusedinproductanalysis.TheresultsshowthatthekeyreasonforthelowmechanicalpropertyofHRB500Ehotrolledribbedbarsareduetothelargenumberofabnormalmetallographicalstructureandhighcontentofnon-metallicinclusionsaswellastherelativelyconcentrateddistribution.Theproblemcouldbesolvedbymeasuresofbringinghomogenizationtoliquidsteelbyargonstirringtofacilitatetheinclusiontofloatandcontrolofcoolingconditions.

HRB500Erebar,mechanical,inclusions,abnormalmicrostructure

TG142

A

马杰(1958-)，男，副教授，博士，主要从事钢铁冶金等方面的研究。

2016-01-08