HRB400E钢筋冷弯断裂原因分析

王宏刚，乔朋亮，高晓亮，段蓓蓓

（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西 汉中 724200）

目前，HRB400E热轧带肋钢筋已成为我国建筑用钢主要的钢材之一[1]，但冷弯断裂导致的质量问题时有发生，严重关系使用安全[2]。因此明确冷弯断裂原因，把控钢材质量指标十分重要。本文针对陕钢集团汉钢公司（汉钢）生产HRB400EΦ28 mm过程出现的弯曲断裂钢筋样品进行了系统的检验和分析，对钢筋弯曲断裂原因进行了全面研究，并提出了消除和减少钢筋弯曲断裂的应对措施，提高了汉钢的产品质量和工艺控制，同时期望对相关企业和研究人员提供一定的数据和实验参考。

1 实验方法

1.1 试验材料与设备

试验材料为汉钢公司轧钢1#棒线生产的HRB400EΦ28 mm出厂前弯曲试验出现冷弯断裂情况的钢筋随机样品，以及同批次未出现断裂的钢筋样品。

试验设备为公司现有的AR-3460直读光谱仪、英国牛津能谱仪X-Max50、WAW-1000电液伺服万能试验机等。

1.2 研究方法

通过ICP等离子发射光谱和光电子能谱（EDS）检测断裂试样的化学成分、力学性能、通过扫描电子显微镜（SEM）对其断口形貌、夹杂物级别、金相组织等，进行表征分析，结合生产工艺对该批次钢筋断裂的主要原因进行检验分析。

1.2.1 化学成分分析

在弯曲试验断裂的试样两端各截取1个样品，编号为试样1、试样2，在同批次弯曲试验未断裂的试样上截取1个样品，编号为试样3。利用汉钢钢铁化验室现有AR-3460直读光谱仪进行化学成分检测，每个试样打3个点，取平均值，并查阅公司ERP检化验系统上原始钢水冶炼成分进行对比，化学成分检测结果详见表1。

表1 化学成分检测结果

1.2.2 形貌分析

通过查看弯曲断裂的钢筋断口形貌，可见该试样断口无缩颈，为脆性断口，试样断口存在较多不规则形状的发亮颗粒物，见下页图1。

图1 断裂的钢筋断口形貌

在钢筋断口处发现较大夹杂物颗粒，通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪对其断口形貌和夹杂物进行分析，在断口处选取两个夹杂物标记为夹杂物Ⅰ、Ⅱ，分析结果表明夹杂物主要为氧化物（Mg元素主要来源于中间包耐火材料的侵蚀脱落）、铝酸盐及硅酸盐，且断裂处氧元素含量较高，分析结果见图2。

图2 夹杂物扫描电镜组织和扫描电镜组织

对金相组织分析出的马氏体区域进行能谱（EDS）分析，利用汉钢公司现有的英国牛津能谱仪X-Max50对钢 筋裂纹处进行扫描分析，发现该处主要是Mn元素偏析，Mn元素含量高达4.96%，能谱分析结果见图3。

图3 断口心部区域能谱分析结果

1.2.3 金相组织分析

将弯曲断裂钢筋截取金相试样1支，编号为试样6，经磨制、抛光，4%硝酸酒精腐蚀后，用olympus显微镜观察其显微组织，试样基体组织为正常的铁素体+珠光体，试样心部明显存在颜色较深的偏析区域，其显微组织为马氏体，检验结果见图4。

图4 金相组织分析

1.2.4 非金属夹杂物分析

将试样磨制、抛光后，使用直接观察法、A法检验、I-JK标准评级图检验试样的夹杂物，发现试样弯曲断裂处存在大量粗系硅酸盐类夹杂物，夹杂物级别3.0 S级，检验结果见图5。

图5 夹杂物检验结果

1.2.5 力学性能检测

查看断裂钢筋批次的力学性能检测结果，将弯曲断裂钢筋对应的拉伸样品编号为试样4、弯曲合格对应的拉伸样品编号为试样5，试验设备为WAW-1000电液伺服万能试验机，试验结果见表2。

表2 力学性能试验结果

2 结果与讨论

1）由表1、2分析结果得出，断裂试样还是未断裂试样化学成分检测结果与冶炼成分均无异常，对应的钢筋拉伸试验性能结果无异常，完全符合《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋GB/T 1499.2—2018》标准要求，可排除因化学成分因素导致的钢筋断裂。

2）从钢筋断口形貌分析结果可见，钢筋基体显微组织正常，断裂试样心部存在一处Mn元素偏析[4-6]，Mn元素含量高达4.96%，远远超过GB/T 1499.2—2018技术要求的上限值1.6%，从而使钢筋在心部出现马氏体异常组织，导致钢筋韧性大幅度下降。

3）钢筋断口非金属夹杂物分析结果表明，大量的粗系硅酸盐、铝酸盐类夹杂物级别达到3.0S级，粗系夹杂物阻碍了晶体的连续性[7-8]，随着弯曲角度的增大，产生应力集中，裂纹进一步扩展导致冷弯断裂。

3 改进措施

1）制定严格的吹氩制度，规范吹氩深度、吹氩压力、吹氩时间等参数,充分发挥顶底复吹的作用，避免钢水局部区域C、Mn等元素偏高，影响后续生产。

2）严格控制中包钢水液面波动，保持高液面浇注，防止钢水液面翻滚卷入夹杂物，同时控制好连铸拉速、连铸浇钢温度，避免保护渣卷入钢水，降低夹杂物的含量，提高铸坯内在质量。

4 结论

本批次HRB400EΦ28 mm规格热轧带肋钢筋中化学成分Mn元素偏析严重，钢筋显微组织出现心部马氏体，使得钢筋塑性变差。钢筋中存在的大量非金属夹杂物，破坏了钢筋基体的连续性，产生应力集中，导致钢筋冷弯断裂。

通过改变连铸拉速及减小钢水液面波动等措施，提高钢水纯净度，减少钢中夹杂物数量，有助于提高钢坯质量，消除此类缺陷。