650 MPa超高强度抗震钢筋自然时效性能研究

2022-01-23张泽宇王小东史永刚

山西冶金 2021年6期

张泽宇，王小东，史永刚，陈方

（陕钢集团产业创新研究院有限公司，陕西汉中 723000）

钢筋放置一段时间后，其力学性能会发生变化，即发生了时效。如果对时效性能控制不好，必然会引起严重的质量问题，影响使用安全[1]。650 MPa超高强度抗震钢筋的屈服强度大于650 MPa。650 MPa超高强度抗震钢筋与HRB500E、HRB400E有着不同的成分配比，特别是加入了微合金元素Nb后，其时效性能有了较大的变化[1]。从生产安全角度分析，钢筋的时效特点必须掌握，通过优化成分或改变判定标准等方式，确保销售的钢材性能100%符合国家标准以及行业/企业标准要求。因此，对650 MPa超高强度抗震钢筋的自然时效性能进行研究有着重要的实际意义。

1 试验方案

1.1 Φ22 mm规格试样自然时效试验

从生产的7批Φ22 mm规格的650 MPa级超高强度抗震钢筋中分别取7 d、15 d、30 d、60 d的时效样各1组（2支），要求每批钢材的不同时期时效样品在同一根钢筋上截取，以缩小样品间的差距。将对应的时效期试样在同1台试验机上进行力学性能检测，通过整理数据来分析不同自然时效期钢材力学性能的变化情况。

1.2 Φ25 mm规格试样自然时效试验

从生产的5批Φ25 mm规格的650 MPa级超高强度抗震钢筋中分别取7 d、15 d、30 d、60 d的时效样各1组（2支），要求每批钢材的不同时期时效样品在同一根钢筋上截取，以缩小样品间的差距。将对应的时效期试样在同1台试验机上进行力学性能检测，通过整理数据来分析不同自然时效期钢材力学性能的变化情况。

2 试验结果与分析

2.1 不同时效期性能统计（11批平均值）

自然时效试验的检测结果如表1和表2所示。下页图1和图2分别为Φ22 mm、Φ25 mm两种规格试样的屈服强度（ReL）、抗拉强度（Rm）、最大力总延伸率（Agt）和强屈比（Rm/ReL）的变化趋势。

图1 Φ25 mm试样力学性能随时效变化

图1 Φ22 mm试样力学性能随时效变化

从上述实验结果中可以看出，两种规格的试样屈服强度变化趋势一致，均随着时效时间增长逐渐降低，Φ25 mm试样由于起始屈服强度较低，时效处理后降低至内控标准650 MPa以下。抗拉强度随时效时间延长上下波动，均大于内控标准820 MPa。最大力总延伸率在7 d时呈现下降趋势，随后最大力总延伸率逐渐上升，在时效期内均大于内控标准9%。由于试样的屈服强度随时效变化逐渐降低，Φ22 mm规格试样抗拉强度变化不大，Φ25 mm规格试样抗拉强度上升，导致强屈比总体呈现上升趋势，在时效期内强屈比均大于内控标准1.25。结果表明，经过自然时效后的试样，最大力下总延伸率先降低后升高，强屈比呈现上升的趋势，对试样的抗震性能有一定的提升作用。

2.2 不同时效期下屈服强度与初检屈服强度差值对比

图3与图4（见下页）反映了经过时效后的试样屈服强度的变化情况，Φ22 mm规格试样在时效过程中屈服强度最大下降了15 MPa，Φ25 mm规格试样在时效过程中屈服强度最大下降了15.8 MPa。因此需要将650 MPa超高强度抗震钢筋Φ22 mm规格的初检内控标准提高15 MPa以上，将Φ25 mm规格的初检内控标准提高20 MPa以上，以保证试样经过自然时效期后钢筋的屈服强度性能仍能满足要求，从而减少下游厂家在使用过程中因屈服强度不达标而产生的质量意见。同时应注意到，因只有部分试样的屈服强度在初检或时效后低于内控标准，所以在后续的生产过程中还应稳定炼钢、轧钢工艺，以使钢材通条性能均匀。

图3 Φ22 mm规格试样时效后屈服强度变化情况

图4 Φ22 mm规格试样时效后屈服强度变化情况

650 MPa超高强度抗震钢筋采用钒氮微合金化强化，热轧后游离的C、N元素在位错处聚集形成“柯氏气团”，对钢中的位错产生钉扎作用，有效地阻塞位错运动，使钢筋强度提升，韧塑性下降，导致伸长率降低。经过自然时效，V元素与N元素大量结合，减少了游离在基体和位错处的N元素[3]，使得屈服强度下降，抗拉强度变化波动不大，强屈比提升，同时N元素与V元素的结合，使得钢筋脆性降低，表现为伸长率提升。由此看来，自然时效对钢筋的抗震性能与塑性产生了积极的影响。