CRB600H 高延性冷轧带肋钢筋时效性能研究*

郑先超，周林磊

（1.安阳工学院 土木与建筑工程学院，河南 安阳455000；2.安阳市城市开发与公建管理办公室，河南 安阳455000）

前言

关于冷轧带肋钢筋和热轧带肋钢筋的使用都很广泛，对热轧带肋钢筋的研究也很多，对热轧带肋钢筋的应变时效性能[1]、自然时效、人工时效性能试验分析[3，6]和力学性能波动进行研究[2]，找出力学性能指标值的波动特点[6]，发现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[3，6]。对HRB400 热轧带肋钢筋实施穿水冷却工艺后，不但可以细化晶粒，改善组织，提高钢筋的机械性能[4-5]。而且经过自然时效后，一般钢筋比穿水冷却钢筋的拉伸性能能够更快趋于稳定[7]。而对冷轧带肋钢筋的时效性能进行研究很少，谢世红对冷轧带肋钢筋进行低温退火实验，略降低抗拉强度，显著提高延伸率，完全消除了应变时效，实验还显示，先时效后退火与先退火后时效，钢筋最终性能相同[8]。

高延性主要指伸长率或最大力总伸长率得到大幅度的提高，其强屈比指标也高于冷轧带肋钢筋，使钢筋性能总体上有了很大的改进。高延性冷轧带肋钢筋是经低温回火热处理，具有较高伸长率的冷轧带肋钢筋。高延性冷轧带肋钢筋不仅解决了普通冷轧带肋钢筋的延性偏低，外观质量差，生产效率低的缺点，而且大幅度的提高了钢材的强度冷轧带肋钢筋的强度和延伸率，实现了冷轧带肋钢筋的升级换代，优化了冷轧建筑用钢的工艺技术和产品质量，节约了有限的稀有合金资源，能够完全满足高层建筑、高速铁路、高速公路等高端用户的需求。高延性冷轧带肋钢筋产品性能稳定无论从力学性能试验，还是从外观质量都已经成为普通冷轧带肋钢筋的更新换代的新产品。

但是关于高延性冷轧带肋钢筋的实验研究几乎没有，本文根据时效处理是改善冷态塑性变形后钢的综合性能有效办法，利用合力公司高延性冷轧带肋钢筋生产线在线回火处理工艺，用人工时效处理的办法，使冷轧钢筋在一定温度下发生恢复，部分或完全消除内应力，大幅度提高钢的塑性，并保持较高的强度。研究在合力六代轧机生产线，高速下在线回火处理工艺下，钢筋的内应力消除程度和效果，是否还存在时效效应，并通过人工时效和自然时效的办法加以验证。

1 研究方法

用Q235 或HPB300 低碳钢盘圆按GB 13788-2008或YB/T 4260-2011 标准轧制牌号CRB550 或CRB600H规格为φ8mm（φ10mm 盘圆二道成型轧制）、φ10mm（φ12mm 盘圆二道成型轧制）钢筋，在半年内分时间段做自然时效后力学性能（Rm、ReL、A5.65、Agt）检验，并用同批试样（未经自然时效）做人工时效后力学性能（Rm、ReL、A5.65、Agt）检验与自然时效对比。自然时效的处理是在同一成品卷相连几圈中取样，然后在静止的空气中自然冷却到室温，备用试样静置于室内，每次取三根平行试样做自然时效后力学性能检验。人工时效的处理是与自然时效用试样同时现场制取，在静止的空气中自然冷却到室温，然后用箱式电阻炉加热试样（人工时效工艺条件：加热试样到100℃下保温60min），在静止的空气中自然冷却到室温，取三根平行试样做人工时效后力学性能检验。

2 结果与分析

2.1 人工时效和自然时效后力学性能检验结果

φ8、φ10mm 钢筋自然时效与人工时效（在100℃下保温60min）后力学性能检验结果分别见图1。φ8mm 钢筋取样时的工艺条件：冷轧速度为620m/min；回火温度为570℃。φ10mm 钢筋取样时的工艺条件：冷轧速度为490m/min；回火温度为590℃。平行试样的检测数据因波动较大未作任何处理，在图中全部示出（下同）。

从检测数据看，有一个共性，就是平行试样性能检测值波动较大，尤其是屈服强度，并且强度与延伸的对应关系不明确（一般情况下强度高延性差）。

研究发现，人为干扰因素较多：一是，当屈服不明显时（应检测RP0.2），计算机或人工取值，屈服强度存在不确定性；二是，试样未完全矫直和标距测量方法不规范（从残样上看有时断在钳口附近或标点靠近断口），影响延伸检测结果。同时，不排除盘圆性能同卷差及质量遗传因素的影响。而抗拉强度较真实，为此，将重点探讨时效前后抗拉强度的变化，其他检测数据只作为参考。

2.2 简要分析

2.2.1 人工时效和自然时效后强度变化

从图1（a）、（c）均看出，随着自然时效时间的延长抗拉强度呈下降趋势；人工时效（在100℃下保温60min）后抗拉强度与时效前比较略有下降或变化不明显。不考虑个别异常值，φ8mm 钢筋置于室内77 天后下降趋势趋缓并趋于稳定（从趋势上看时效时间少于77 天），与时效前比较，抗拉强度平均降低了15MPa，人工时效后与时效前比较，抗拉强度平均降低了10MPa；φ10mm 钢筋置于室内37 天后下降趋势趋缓并趋于稳定，与时效前比较，抗拉强度平均降低了8MPa，人工时效后与时效前比较，抗拉强度无明显变化。

表2 成型钢筋实验室回火处理模拟试验工艺

2.2.2 人工时效和自然时效后延伸变化

从图1（b）、（d）可以看出，φ8、φ10mm 钢筋自然时效和人工时效后与时效前比较，延伸（三种测量方法）的变化趋势及与强度变化的对应关系不明确，时效后延伸率（A5.65、A11.3）均能满足标准要求，但最大力总伸长率（Agt）处于标准下限，个别值不符合要求。一般情况下，如果钢筋的内应力释放不完全，经时效处理后，随着内应力的进一步释放，强度下降，延性变好；或钢筋的内应力释放较完全，经时效处理后，强度和延伸无明显变化。但图上反映出的检测结果有悖常理，φ8mm 钢筋随着自然时效时间的延长，强度下降，延伸变化趋势不明显（强度变化小时此现象存在）；φ10mm 钢筋随着自然时效时间的延长，强度下降，延伸（A5.65和A11.3）也呈下降趋势。

在试验中发现，试样检测不规范，存在三个方面的问题：一是有时断在钳口附近；二是有时标点靠近断口；三是试样未完全矫直，直接影响检测结果。同时还发现，平行试样延伸波动较大，存在同卷（甚至同圈）差。对此，作了对比试验。同一卷相连几圈连续取拉伸试样，标距按照标准要求（30、40、50mm），标点间距10mm（原30、40、50mm），延伸测量时标点尽量远离断口和夹具区，不同测量方法钢筋的延伸率检测值见表1（表1 中不同下标的A，以下用延伸表述）。表1 中，延伸-1 表示：标距一端标点距断口最近的点；延伸-2 表示：标距一端标点距断口最近的点再移动10mm；延伸-3 表示：标距一端标点距断口最近的点再移动20mm；空格说明断在夹具内；编号1-10 为同一卷，11-18 为同一卷。

从表1 中的检测数据可以看出，测量方法对延伸率检测值的影响是存在的，尤其是对A5.65检测值的影响最为明显。同时也发现钢筋的最大力总伸长率（Agt）较低，甚至不合格，第一组（编号1-10）平行试样中合格率仅有50%，说明钢筋在应力作用下有不均匀塑性变形现象存在。

图2 φ8mm 钢筋100℃人工时效后强度和延伸变化趋势

图3 φ8mm 钢筋200℃人工时效后强度和延伸变化趋势

2.3 特殊条件下的试验结果与分析

为了对上述结果做进一步验证，对φ8、φ10mm 钢筋重新取样做特殊条件下人工时效试验，并对φ8mm 回火处理前成型钢筋做了实验室回火处理模拟试验。试样制取时按轧制顺序连续编号，按编号顺序安排试验先后顺序，以减小因性能同卷差造成的平行试样检测值的波动。人工时效工艺：100℃和200℃下分别保温60-600min。实验室回火处理模拟试验工艺见表2。

2.3.1 100℃和200℃下人工时效试验

图2 反映的是φ8mm 钢筋100℃和200℃下分别保温60-300min 人工时效后力学性能检测值，因无时效前检测数据，用60min 人工时效后力学性能检测值作比较。从图2（a）可以看出，不考虑个别异常值，100℃下保温60-300min，240min 后抗拉强度平均下降了8MPa；200℃下保温60-300min，120min 后抗拉强度平均下降了23MPa。为了更进一步验证φ8mm 钢筋特殊条件下抗拉强度的变化趋势，再次取样（批号不同）做了200℃下保温60-540min 人工时效试验，时效后力学性能检测结果见图3（延伸数据不完整是因为试样断在夹具附近或夹具内无法测量）。从图3（a）可以看出，不考虑个别异常值，200℃下保温120-240min，抗拉强度与时效初期比较平均下降了13MPa；200℃下保温300-540min，抗拉强度与时效初期比较平均下降了25MPa。图2（a）、3（a）反映出的结果略有差异，两个批号试样的工艺和冷轧基料差别无法追溯，但均表明：钢筋在200℃下保温60-540min，随保温时间的延长，人工时效后抗拉强度呈下降趋势，时效效应比较明显。从图2（b）、3（b）可以看出，延伸率波动较大，其变化趋势及与强度变化的关系不明确。

图4 反映的是φ10mm 钢筋200℃下分别保温60-600min 人工时效后力学性能检测值，该批试样的工艺条件：冷轧速度170m/min；回火温度590℃。从图4（a）可以看出，不考虑个别异常值，与时效前比较无明显变化。从图4（b）可以看出，延伸率波动较大，其变化趋势及与强度变化的关系不明确。

综合分析以上结果，进一步验证了，不同工艺和冷轧基料，钢筋的时效处理结果有差别。位错的密度随钢材的化学成分，热处理及冷变形等因素而不同的，从而影响时效处理结果。回火温度高，有利于钢筋的内应力释放和时效效应的消除。

2.3.2 实验室回火处理模拟试验

图5 反映的是同一条件下（冷轧基料、轧制工艺），φ8mm 冷轧带肋钢筋不同回火工艺条件下的力学性能检测值（回火工艺见表2）。从图5（a）可以看出，在再结晶温度以下，回火温度越高，钢的恢复程度越好；温度一定时，随保温时间的延长，钢的强度呈下降趋势，且下降速率在降低。仅从试验数据看（延伸数据不完整是因为试样断在夹具附近或夹具内无法测量），φ8mm 冷轧钢筋在580℃下回火处理，强度和塑性均能满足高延性钢的标准要求。在560℃或600℃下回火处理，合理控制轧制速度和回火温度，是改善钢的综合性能的关键，回火温度低，轧制速度要慢，旨在保持温度的时间要充分，利于钢的恢复，以提高塑性；回火温度高，轧制速度要快，在保证高延性的同时，还要保证强度符合要求。当然，冷轧基料的条件也很重要。本次试验受实验室条件限制，能否反映真实情况，有待进一步验证，特别是塑性指标。

2.3.3 组织和夹杂物分析

为了进一步探讨同一卷钢筋制取的试样力学性能检测值波动大的原因，对图2 中强度值波动较大的试样选取了几组，做了组织（见图6）和夹杂物分析，图6 中（a）、（b）、（c）、（d）所用试样的抗拉强度分别为690MPa、604 MPa、584MPa、694MPa，与其对应的延伸率（Agt/%）分别为9.53、8.73、6.62、4.53。从金相图片上可以看出，组织无异常，晶粒度无明显差别。光学显微镜下观察，拉伸试样断口和缩径区域未发现10 微米以上夹杂物。从该批试样显微分析结果判断，组织和夹杂物不是性能波动的主因（不排除组织和夹杂物异常情况下的影响），可能与晶体结构中的差异有关，因缺少观察手段，现阶段无法考证。

图4 φ10mm 钢筋200℃下人工时效后强度和延伸变化趋势

图5 φ8mm 冷轧钢筋实验室不同回火处理工艺条件下的强度值和延伸率

3 结论

本文利用合力公司六代轧机生产线，高速在线回火处理工艺生产的冷轧带肋钢筋，研究了φ8、φ10mm 冷轧带肋钢筋在时效处理后与时效前的力学性能变化，为了做进一步验证，对其重新取样做特殊条件下人工时效试验，并对φ8mm 回火处理前成型钢筋做了实验室回火处理模拟试验。在实验研究中发现：

（1）抗拉强度随着自然时效时间的延长呈下降趋势；抗拉强度在人工时效（在100℃下保温60min）后与时效前比较略有下降或变化不明显。延伸（三种测量方法）的变化趋势及与强度变化的对应关系不明确，时效后延伸率（A5.65、A11.3）均能满足标准要求，但最大力总伸长率（Agt）处于标准下限，个别值不符合要求，说明钢筋在应力作用下有不均匀塑性变形现象存在。发现测量方法对延伸率检测值的影响是存在的，尤其是对A5.65检测值的影响最为明显。

（2）合理控制轧制速度和回火温度，是改善钢的综合性能的关键，冷轧基料条件（成分和性能）允许的情况下，在再结晶温度以下，回火温度高或温度保持时间长，有利于钢筋的内应力释放和时效效应的消除。

（3）对强度值波动较大的试样进行金相组织分析，从试样显微分析结果判断组织和夹杂物不是力学性能检测值波动大的主要原因。

图6 钢筋金相组织图片