HRB500E级钢筋反弯断裂原因分析

2020-09-04李建宾钦祥斗

山东冶金 2020年4期

李建宾，钦祥斗

（南京钢铁股份有限公司，江苏南京210035）

1 前言

HRB500 级钢筋具有强度高、延性好、碳含量低、可焊性优良等力学性能，广泛应用于高层、超高层建筑、大型框架结构、高烈度区钢筋混凝土结构和大跨度结构建筑中，不仅可以显著改善梁、柱节点中钢筋密集的情况，还可减少钢筋的使用量，节约工程成本。目前，国内各大钢铁企业均能生产出HRB500 级钢筋，但对控轧控冷工艺的研究还不够深入，产品检验中时常出现反弯开裂甚至完全断裂的情况。为分析断裂原因，对不同反弯性能的产品取样进行分析，以期找出不合格的原因。

2 试验材料和试验方法

试样取自某公司生产的Φ32 mm 的HRB500E级钢筋，选取该批次反弯断裂试样和以前检测反弯合格的另外一批次同规格的样品进行对比分析。用光谱仪、金相显微镜、扫描电镜等设备对选取试样的化学成分、金相组织、非金属夹杂、断口等进行分析，对比研究各方面的差异。反弯断裂试样的断口宏观形貌及表面裂纹形貌见图1。图1a为断口，断口起伏不大，总体较平，断面有金属光泽，从放射线形貌可看出，断裂从一侧表面开始向对面扩展；图1b为只开裂未完全断裂试样，表面有一细小裂纹。

3 试验结果

3.1 成分分析

利用ARL-4460型直读光谱仪分别测定了两批次试样的化学成分，分析结果见表1。由表1 可以看出，两批次试样成分一致，均在标准要求的范围内，未见明显差异。

图1 试样断口及裂纹形貌

表1 断裂试样和合格试样化学成分 wt%

3.2 抗拉性能对比

利用WESW-600C 型拉力试验机分别测定两批次试样的抗拉性能，结果见表2。可见两批次试样抗拉性能均满足标准要求，但断裂试样无论是屈服强度还是抗拉强度都稍高于合格试样。

表2 断裂试样和合格试样抗拉性能

3.3 断口观察

采用Sigma300 型扫描电镜观察图1 中所述断口微观形貌，结果见图2。其中图2a和图2b为断裂源形貌，可见断裂源区为韧窝形貌，而且只分布在断口最表面很窄的区域；图2c为扩展区形貌，为典型的解理断裂特征，局部可见粗大的解理面；图2d为撕裂区形貌，为撕裂韧窝。

3.4 金相分析

取两批次试样纵向截面，依次磨抛后利用Axio Imager.M2m 型金相显微镜检测其非金属夹杂。非金属夹杂情况见表3、图3。结果显示，两批次试样硫化物夹杂均较多，断裂试样A类夹杂2.0级，合格试样A类夹杂2.0级。

图2 试样断口微观形貌

表3 断裂试样和合格试样非金属夹杂评级

取两批次试样横截面，依次磨抛、腐蚀后检测其金相组织，结果发现断裂试样和合格试样组织差异明显，其中断裂试样组织为粗大的珠光体团＋网状铁素体，晶粒度4～5 级，见图4a；而合格试样组织为细小的铁素体＋珠光体，晶粒度8～9级，如图4b 所示。取图1b 中裂纹截面，磨抛、腐蚀后检测其组织形貌，见图4c 和图4d，可见裂纹最外侧的表面有脱碳特征，放大观察可发现裂纹沿着铁素体网扩展。

图3 断裂试样和合格试样非金属夹杂形貌

图4 断裂试样和合格试样组织

4 讨论与分析

HRB500E 级钢筋为热轧态交货，正常组织应该为具有良好塑性和韧性的铁素体＋珠光体，但不同的铁素体和珠光体含量以及其晶粒尺寸大小，对塑韧性的影响也很大。晶粒尺寸d与裂纹扩展临界应力σt的关系是σt∝d-1/2，也就是随着铁素体晶粒尺寸减小，裂纹扩展临界应力提高，钢的韧性也相应提高。因此，钢中存在数量较多、晶粒细小的铁素体可以提高钢的韧性。珠光体的强度、硬度均高于铁素体，一般随着珠光体硬相含量增加，抗拉性能提高，但韧性降低。

金相检测显示断裂试样珠光体含量约60%～70%，根据铁碳相图，应用杠杆定律可计算出断裂试样含碳量为0.22%时，珠光体含量26.7%；铁素体含量73.3%

即使考虑Si、Mn、V等合金元素的影响，断裂试样珠光体含量也是不正常的。用同样的方法可以计算出合格试样铁素体和珠光体含量，实际含量与计算值相当。

断裂试样珠光体团粗大，应该和原始奥氏体晶粒长大和冷速过快有关。HRB500E 级钢筋中加入合金元素V，目的是通过微合金化细化晶粒，但是在超过一定温度以后，随着加热温度提高，加热时间延长，微合金碳氮化物质点体积分数减少，奥氏体晶粒将因解除钉扎而发生晶粒长大。HRB500E 级钢筋是亚共析钢，根据相变规律，随着温度的降低，首先在奥氏体晶界析出铁素体，然后再形成珠光体。若冷速较快，相当于当C 曲线右移，导致铁素体量减少，珠光体量增多。由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，珠光体量增多，钢材的塑韧性降低，脆性增加。先共析铁素体以网状分布，严重割裂了珠光体之间的联系，也会严重降低钢材的机械性能，极易导致脆性断裂。此外两批次试样中MnS 夹杂均较多，虽然不是导致反弯断裂的直接原因，但也存在潜在的风险，由于夹杂割裂了基体的连续性，在外力作用下也容易在夹杂处萌生裂纹并不断扩展，导致材料早期失效。