拉伸速率及时效对HRB400热轧带肋钢筋拉伸性能的影响①

张 杨， 黄 飞, 朱兴江， 王 越， 徐 雁

(1．马鞍山钢铁股份有限公司, 安徽 马鞍山 243000；2.国家钢铁及制品质量监督检验中心， 安徽 马鞍山 243000)

引 言

HRB400热轧带肋钢筋广泛应用于房屋、桥梁、道路等土建工程建设上，要求具有较高的强度、良好的塑性，屈服强度必须达到400 MPa以上。国家标准GB/T 228.1-2010中的拉伸性能检测具有两种方法，即方法A和方法B，受各方因素的影响，目前应用最广泛的仍然是方法B，其拉伸控制速率在弹性段和屈服段都是一个范围值，各检验机构可以在标准给定的速率范围内随机选择不同的拉伸速率，这在一定程度上也会导致有些对速率敏感性的材料，选择不同的拉伸速率时，出现检测结果的不一致，特别是对于屈服强度和规定塑性延伸强度项目指标。同时，时效现象也是影响材料力学性能的重要因素，对于不同类型、不同状态的金属材料，时效有时是强化作用，有时是软化作用。热轧带肋钢筋产品出厂检测时间与用户的验收或抽检部门的抽查检测，存在一定的时间间隔，有时可能达数月之久，产品不可避免将会产生时效，这往往会使出厂检测结果与后续验证检验结果之间存在一定的差异；因此，除了加强对生产工艺的控制和检验管理，有必要对拉伸速率及时效对热轧带肋钢筋的拉伸性能影响规律进行系统的研究，提出更为可行的出厂检验规范。材料断后伸长率测试的影响因素较多，一般不具备可比性，本文仅研究拉伸速率和时效对热轧带肋钢筋强度指标的变化规律。

1 试验材料及方法

选自某钢厂生产的热轧带肋钢筋，其牌号为HRB400，规格为Φ32,28,20,16,12 mm。

试验分两组进行：第一组，对5种规格的热轧带肋钢筋依据GB/T 228.1-2010 B法在不同速率条件下进行拉伸试验，具体方案如表1所示。第二组，取规格为Φ16 mm的钢筋进行相同拉伸速率，不同时效处理方式后拉伸性能检测，对比分析未时效(刚下生产线)与经过人工时效和自然时效后拉伸性能的变化规律，具体试验方案如表2所示。

表1 不同拉伸速率条件下热轧带肋钢筋试验方案

表2 不同时效处理方式下热轧带肋钢筋试验方案

2 结果与讨论

2.1 拉伸速率对钢筋拉伸性能的影响

不同拉伸速率条件下，HRB400热轧带肋钢筋的拉伸性能如表3所示。抗拉强度和屈服强度与拉伸控制方式的变化趋势如图1和图2所示。

表3 不同控制方式下拉伸试验结果

由图1及表3可知，钢筋的抗拉强度随着控制速率的变化不明显，抗拉强度最大值与最小值之间相差均小于7 MPa。进一步分析图1可知，Φ12 mm所测得抗拉强度最大值是在控制方式④条件下得到的，Φ16,20,28,32 mm分别是在控制方式③，⑤，⑤，②下得到的；Φ12 mm所测得抗拉强度最小值是在控制方式②条件下的得到的，Φ16,20,28,32 mm分别是在控制方式④下得到最小值的，抗拉强度并未随着控制速率的快慢发生明显规律性变化，由此得出，抗拉强度对控制速率变化不敏感。分析认为，所选的HRB400热轧钢筋均具有良好的韧性和较细的晶粒，在屈服后至拉伸断裂的过程中，都可以使晶粒充分变形后发生断裂，所以抗拉强度对拉伸速率不敏感[1]。

图1 抗拉强度与拉伸控制方式的关系图

由图2及表3可知，对于屈服强度，Φ12 mm所测的屈服强度最大值与最小值之间相差14MPa，利用GB/T 228.1-2010标准规定范围的最快弹性段拉伸速率+最快屈服段拉伸速率，可以得出最高的屈服强度，相比较，屈服强度提高了3.4%，测试所得最小值和最大值在控制方式①和控制方式③条件下得到。仔细观察图2，可以发现，对比控制方式①和②，其弹性段的控制速率相同，而屈服段控制方式②相较控制方式①提高了10倍，其屈服强度提高了10 MPa，呈明显上升；比较控制方式③和④测出的数据，屈服亦呈明显变化。由此可知，对于规格为Φ12 mm，牌号为HRB400的热轧带肋钢筋，屈服段拉伸速率上升，屈服强度上升较为明显。相比较，控制方式②和③，其屈服段拉伸速率相同，而弹性段的拉伸速率提高了10倍，屈服强度并无明显变化。比较控制方式①和④测出的数据，屈服强度亦无明显变化。即，屈服强度的波动对于屈服段拉伸速率的变化较敏感，而对于弹性阶段拉伸速率的变化不敏感，随着弹性段应力速率的增加，屈服强度值变化不大，而随着屈服段拉伸速率提高，屈服强度出现明显上升。

图2 屈服强度与拉伸控制方式的关系图

对于规格Φ16～Φ32 mm钢筋的结果，比较控制方式①和②，③和④，②和③， ①和④，其抗拉强度和屈服强度随控制方式的变化规律呈现与Φ12 mm规格相类似的规律；在较低的屈服段速率范围内，大规格HRB400热轧带肋钢筋(Φ32 mm)屈服强度出现了低于400 MPa值，呈现出较大规格热轧带肋钢筋的质量不稳定性。

分析认为，金属材料实质上就是金属晶粒按照一定结构的堆积，因而在力学拉伸试验中，试样开始屈服时，晶粒结构薄弱的局部区域首先产生塑性变形滑移带，在某一应力作用下将这一滑移带扩展到整个试样，屈服点就是塑性变形起始的抗力，上屈服点相当于产生塑性变形滑移带的形核应力，而下屈服点就相当于滑移带生长扩展的应力。随着屈服段拉伸速率的上升材料的屈服强度上升是因为在较高的应变速率条件下，材料组织中的位错运动速率增加，位错滑移界面的切应力增加，位错滑移阻力增加，材料产生附加强化。

金属材料屈服效应的形成机理是金属在外力作用下，当外力较小时，发生弹性变形，当外力达到屈服应力后，发生不可回复的塑性变形，其中诱发塑性变形的原因就是金属在外力(屈服应力)驱动下，金属中位错开始运动，任何一种金属都有自己塑性变形的传播速度，如果加载速度大于它本身的塑性传播速度，必然是形变抗力即屈服点提高，因为加载速度太快，导致外力方向的晶面转动不充分，滑移在整个试样的生长扩展中就会受阻，在宏观上表现为起始塑性变形抗力的提高。此外，随着变形硬化的产生，自发消除硬化的回复无法进行，而形变硬化又会阻碍形变的继续发展，因此，要达到所需的残余形变，就必须继续增加外力，这也表现为起始塑性变形抗力的提高，即屈服强度的上升[2-5]。

2.2 时效对钢筋拉伸性能的影响

不同时效处理方式，相同拉伸速率条件下，规格为Φ16 mm，牌号为HRB400热轧带肋钢筋拉伸性能如表4所示。其拉伸性能随时效处理方式的变化如图3和图4所示。

表4 不同时效方式下拉伸试验结果

图3 抗拉强度与不同时效处理方式的关系图

图4 屈服强度与不同时效处理方式的关系图

由图3可知，对于Φ16 mm的HRB400钢筋，经人工时效处理100 ℃×1 h后，时效前、后钢筋的抗拉强度均为614 MPa，无变化；时效时间维持1 h不变，随着时效温度由100 ℃升至200 ℃，所测试样的抗拉强度亦无明显变化。自然时效10天和30天后，钢筋的抗拉强度均无明显变化，最大下降了4 MPa。由此可知，无论是人工时效或者自然时效，以及人工时效温度的提高和自然时效时间的延长，其对钢筋的抗拉强度影响不大。

由图4可知，钢筋的屈服强度经人工时效100 ℃×1 h处理后有明显的下降，屈服强度由原来的426 MPa下降为414 MPa，下降了12 MPa，下降幅度为2.8%。随着时效温度由100 ℃提高到200 ℃，钢筋的屈服强度下降至411 MPa，相比较，时效温度的降低带来的屈服强度降幅变化不大。自然时效10天后，屈服强度下降了10 MPa，随着时效时间由10天延长至30天，屈服强度下降了8 MPa，降幅变化不明显。

分析认为，时效导致钢筋屈服强度下降主要是因为钢筋内部残余应力的释放和晶体中内部点阵畸变程度下降[6-8]。从试验结果来看，为考虑长时间自然时效对拉伸性能的不利影响，出厂检验时，可用200 ℃×1 h人工时效来模拟长时间自然时效。

3 结束语

(1)热轧带肋钢筋的抗拉强度随着拉伸速率的变化不明显；屈服强度对于弹性段应变速率的变化不敏感，而对于屈服段的应变速率变化较敏感，随着应变速率的增加，屈服强度提高。

(2)经时效处理后，钢筋抗拉强度变化不明显，屈服强度均具有不同幅度的下降，从试验结果来看，用200 ℃×1 h模拟长时间自然时效比较合适。

(3)考虑到拉伸控制速率、时效两方面的综合影响，建议生产方在生产HRB400热轧带肋钢筋时至少应留有约30 MPa以上的屈服强度余量，出厂检验应采用屈服段较慢的拉伸速率。