轧制温度对Φ50 mm HRB500E反弯性能的影响

张华伟， 钦祥斗， 李建宾 ， 田 力

(南京钢铁股份有限公司， 江苏 南京 210035)

引 言

随着国家对建筑工业安全要求的提高，以及加快淘汰低强钢筋，实现建筑钢材升级换代，减少钢材使用量，建设节约型，2018年11月1日正式执行GB/T 1449.2-2018《 钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》标准，取消了355 MPa级钢筋，增加了600 MPa级钢筋[1-3]。因此，400、500 MPa级的钢筋将作为普通产品，大量用于国内的建筑业，必将使国内建筑物的安全性进一步的提高。HRB500E是一种屈服强度不小于500 MPa的热轧带肋钢筋[4]，其中E是“地震”英文(Earthquake)的首字母缩写，在GB/T 1499.2-2018中规定钢筋反向弯曲试验作为带E钢筋牌号的常规检验项目。钢筋反弯试验是指先将测试钢筋正向弯曲90°，把将正弯曲后的试样在100±10 ℃温度下保温不小于30 min，经自然冷却后再反向弯曲20°(当供货方能保证钢筋经人工时效后的反向弯曲性能时，正向弯曲后的试样亦可在室温下进行反向弯曲)，钢筋受弯曲部位的表面不得产生裂纹或发生断裂[5]。

某钢厂生产的直径为50 mm的HRB500E钢筋在进行加严反弯试验(正向弯曲90°，不经过热处理，反向弯曲30°)时发生部分试样断裂现象，为保证产品质量，对终轧温度进行调整，反弯断裂现象消失，进一步研究断裂试样和合格试样的区别，得出轧制温度对抗震钢筋反弯性能的影响较大。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

本文选用相同炉号轧制温度不同的Φ50 mm HRB500E钢筋作为研究对象，化学成分如表1所示。断裂的试样为1#试样，合格的试样为2#试样，两组试样的轧制前的加热工艺相同， 开轧温度和终轧温度不同，轧制温度如表2 所示，轧后空冷。

表1 HRB500E钢的化学成分/%

表2 HRB500E钢的轧制工艺

1.2 试验方法

使用YJM-50弯曲试验机对不同轧制工艺的试样进行反弯试验，对断裂的1#试样进行宏观拍照，使用SIGMA300扫描电镜对1#试样的断口的断裂源、扩展区和瞬断区进行观察，分析断裂类型；再将1#试样的断口沿断裂源、扩展区和瞬断区纵向剖开，并使用Axio Imager M2m蔡司金相显微镜进行观察，分析断裂过程中的裂纹扩展情况。取1#试样和2#试样的未变形段，横向切开，使用金相显微镜观察组织，并对比不同轧制温度HRB500E钢的组织。

2 试验结果及分析

2.1 断口相貌分析

Φ50 mm HRB500E钢筋进行反弯试验时，先正弯90°，弯曲过程的内弧受压应力，外弧面受拉应力，再反向弯曲30°时，受压应力的内弧面变为受拉应力，应力的转变导致试验的HRB500E钢筋的内弧面易出现裂纹甚至断裂现象。

图1(a)为Φ50 mm HRB500E钢筋宏观断口的俯视图，断裂过程是由试样的表面开始、扩展直至发生完全断裂，断裂源在试样反弯试验的内弧面的表下，断裂源所占断口的面积较小，扩展区和瞬断区所占断口的面积较大，试样的断口变形量较小，由此可知，试样在反弯试验时，发生了脆断。由图1(b)可知，断裂过程的断裂源，正对钢筋的横肋的根部，由于热轧钢筋横肋的存在，钢筋的横截面会周期性的发生变化，且横肋凸出于钢筋圆形截面，在反弯试验的正弯时，横肋发生变形较小，横肋的根部发生变形较大，在进行反向弯曲30°时，横肋的根部仍然为受力的集中区域，以横肋根部为裂纹源的反弯断裂现象就会发生。

图1 Φ50 mm HRB500E钢筋宏观断口形貌

Φ50 mm HRB500E钢筋的断口由三部分组成，分别为断裂源、扩展区和瞬断区，使用SIGMA300扫描电镜对三个区域分别观察。图2(a)和(b)为Φ50 mm HRB500E钢筋断裂源的断口形貌，图2(b)为图2(a)中的矩形框内的放大的断口形貌。由图2(b)可知断裂源处的断裂模式为准解理断裂，在小断裂面上存在河流花样，但在小断面之间有撕裂岭；准解理裂纹的扩展一般是在已经发生一定塑性变形的晶粒中进行[6]，Φ50 mm HRB500E钢筋在反弯试验过程中，先正弯90°，使钢筋的弯曲内弧面发生挤压变形，再进行反弯30°时，在试验钢筋横肋的根部的临近区域，产生裂纹并扩展，形成的准解理的断裂形貌。图2(c)和(d)为Φ50 mm HRB500E钢筋扩展区的断口形貌，图2(d)为图2(c)局部区域放大的断口形貌。由图2(d)可知扩展区的断口主要为解理断口，具有明显的河流花样和扇形花样的特征，但在局部的区域仍然有撕裂岭的存在，和图2(b)相比，扩展区断口的解理面较大，撕裂岭较少，有扇形花样，这表明在裂纹的扩展时，速度较快。图2(e)和(f)为Φ50 mm HRB500E钢筋瞬断区的断口形貌，试验钢筋的瞬断区较小，断裂形貌为剪切韧窝，在裂纹扩展的末端，试样受到切应力的作用，形成抛物线或椭圆状的韧窝。

2.2 裂纹扩展过程分析

将试验钢筋的断口沿断裂源、扩展区和瞬断区纵向剖开，使用金相镶嵌粉进行镶嵌后，使用Axio Imager M2m蔡司金相显微镜观察纵向剖开面，并研究裂纹在每个区域的扩展情况。

图3(a)为Φ50 mm HRB500E钢筋断裂源处断口纵剖面的显微组织，试验钢筋进行反弯试验时，先正弯90°，这使试验钢的弯曲的内弧面受压应力，使断裂源区域的组织发生变形；图3(b)为图3(a)矩形框内的组织的进一步放大，试验钢筋的组织为铁素体+珠光体，经过反弯试验后，铁素体和珠光体组织都被挤压成带状组织，变形量较大，由于该区域的组织发生了较大的塑性变形，裂纹在发生塑性变形的晶粒中扩展形成了准解理的断裂形貌，裂纹的扩展方向和挤压形成的变形带状组的方向相同，且为穿晶断裂。图3(c)为试验钢筋的扩展区断口纵剖面的显微组织，裂纹在该区域扩展时，多个解理裂纹会同时存在，相互平行的裂纹逐渐扩展，并通过二次解理形成解理台阶，也实现了主裂纹在不同的解理面之间的转移，主裂纹在发生解理面的转移时，原解理面的裂纹还会继续测扩展，形成二次裂纹，如图3(d)所示，主裂纹和二次裂纹在试验钢筋中的扩展方式是相同的都为穿晶断裂，且裂纹既穿过铁素体也穿过珠光体。图3(e)为试验钢筋的瞬断区断口纵剖面的显微组织，瞬断区的断裂方式仍为穿晶断裂，裂纹扩展较平直；由图3(f)可知，断口处的组织有明显的变形，但变形的区域很浅，只有几个晶粒的深度，这也表明试验钢筋在断裂的末端，受到的是剪切应力的作用。

2.3 不同轧制温度试样组织和硬度变化

图4为Φ50 mm HRB500E钢筋不同轧制温度横肋根部显微组织。分别取两组试样的横截面进行观察，图4(a)为1#试样的横肋根部的组织，图4(b)为其局部区域的放大，由金相照片可知，1#试样的组织主要为铁素体+珠光体，在局部区域有魏氏组织；其魏氏组织是由针状铁素体+珠光体团+少量的贝氏体组成。对1#试样的铁素体和珠光体的尺寸进行统计计算，铁素体晶粒的平均尺寸为14.8 μm,局部区域的珠光体团尺寸大于50 μm，铁素体的含量61.7%。由图4(c)和(d)可知，2#试样的组织铁素体+珠光体，与1#试样相比，2#试样的组织更加均匀细小，经过统计计算，铁素体晶粒的平均尺寸为10.3 μm小于1#试样的14.8 μm，珠光体团的尺寸均小于30 μm，铁素体的含量为70.1%，高于1#试样，且无魏氏组织存在，塑韧性较好，在实际生产的反弯试验过程中，无断裂现象发生。

图4 Φ50 mm HRB500E钢筋不同轧制温度横肋根部显微组织

从两者的对比结果可知，当其它工艺相同时，较高的轧制温度，铁素体和珠光体团的晶粒尺寸较粗大，铁素体的含量减少，且易生成魏氏组织，使试样的反弯性能下降。不同的轧制温度，试样轧制后的奥氏体的晶粒不同。较高的轧制温度，轧后的奥氏体的晶粒较粗大，在向铁素体和珠光体转变时，形核点较少转变后的铁素体的晶粒较粗大；由于在转变过程中，铁素体先析出长大，碳元素向未转变的奥氏体富集，在较慢的冷却速度下，有魏氏组织生成，且在较大的珠光体团中间有少量的贝氏体组织。

图5为1#和2#试样的从横肋根部向试样心部的硬度变化曲线，随着距离边部的距离增大，1#试样的维氏硬度先快速的增大，又逐渐的减小，最终于2#试样的硬度趋于一致，这表明在1#试样的近表面的组织和2#试样的组织不同，随着距离边部的距离增大，组织逐渐相同。结合图4的组织分析，1#试样的硬度升高，是由于近表处，有含有贝氏体的魏氏组织生成，经过反弯试验的加工硬化，会使该区域的硬度进一步的升高，脆性增大，在反向弯曲30°时，产生裂纹并发生断裂。

图5 Φ50 mm HRB500E钢筋不同轧制温度的维氏硬度

3 结 论

(1)轧制温度影响Φ50 mm HRB500E钢筋反弯性能，随着轧制温度的降低，铁素体和珠光体团的尺寸在减小反弯性能提高。

(2)Φ50 mm HRB500E钢筋反弯试验的裂纹源在横肋根部，断裂源处为准解理断裂，扩展区为解理断裂，瞬断区为塑性断裂，形貌为剪切韧窝。

(3)Φ50 mm HRB500E钢筋近表处的含有贝氏体的粗大魏氏组织，使其硬度增加，反弯性能降低。