HRB400E热轧肋钢筋弯曲断裂的失效分析研究
2022-11-12杨晓燕卫社彦许艳妮李君荣
杨晓燕，卫社彦，许艳妮，李君荣，杨 凤
（陕西龙门钢铁有限责任公司能源检计量中心质检作业区，陕西 韩城 715405）
21世纪以来，随着经济的高速发展、人民对高水平生活意识的提高，我国建筑业及钢铁产业飞速发展使得人们对其各方面性能的要求也越来越高。HRB400E热轧肋钢筋是建筑业及国民经济中的重要支柱[1-2]，是国内很多钢厂的主导产品之一。金相显微镜、扫描电镜（SEM）及其配套X射线能谱（EDS）作为电子显微分析技术中应用极为广泛的仪器，能在对各种材料的组织、微观形貌观察的同时对成分进行微区分析、线分析及面分析。钢铁材料主要用来进行断裂失效分析、产品缺陷分析等。HRB400E热轧肋钢筋是本单位的主要产品之一，其中某一批进行力学性能的弯曲试验过程出现脆性断裂，产品的质量直接不合格，造成资源与成本的严重浪费。本文针对某一批HRB400E热轧肋钢筋在弯曲试验过程中产生脆性断裂的这一现象，利用光谱仪、金相显微镜、扫描电镜及能谱对断裂样品的成分及组织、形貌进行分析，探究废钢的加入对HRB400E热轧肋钢筋组织结构的影响。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
本文所分析钢筋材料为西北某大型钢企所生产的HRB400E热轧肋钢筋，钢筋完成轧制后，在钢筋在进行屈服试验的过程中，弯曲90°时出现脆性断裂现象。如图1所示，为断裂后的样品。取样方法如下：采用切割机分别在两端距离断口处5 cm处切割制取两个试样。
图1 弯断样品的外观图
1.2 实验方法
1.2.1 金相分析
采用公司的型金相显微镜对样品进行测试。首先，利用固化剂将切割机所切取的样品在磨具中冷却成模，在磨样机上对样品分别进行磨制和抛光。磨制过程中转速为600 r/min，试样尺寸为磨面面积小于400 mm2，高度15～20 mm。抛光速度为600 r/min，所用抛光剂为金刚石。最后用4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀。
1.2.2 电镜分析
首先，将切割制取的样品底面进行磨制至光滑平整，随后在超声清洗仪中用无水乙醇清洗样品，清洗方案为清洗5次，每次3 min。采用德国蔡司公司VEO18扫描电镜观察其微观形貌，并利用附带的M40能量色散X射线光谱检测器分析其表面元素组成。
2 实验结果
2.1 成分结果
采用荧光光谱仪对样品断口处进行成分分析，其主要合金元素含量如表l所示。可看出，钢材主要合金元素基本在国家标准规定的范围内[3]。由此可见，该种钢材的成分控制不存在问题。冶金质量符合相关标准规定。
表1 钢材中主要合金元素成分 %
2.2 金相组织
利用金相显微镜对所截取的磨面为原构件的横截面的样品组织及夹杂物进行观察，结果如图所示。根据国标GB 1499.2—2007《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》[4]中关于组织的要求“普通热轧带肋钢筋不得有影响使用性能的其他组织存在”。如图2所示，可以看到其组织主要为铁素体+珠光体+魏氏组织，其晶粒度大小为8.5级[5]；局部出现带状组织，即沿轧制方向形成的，铁素体带和珠光体带相互堆叠而成的组织形态，而钢中带状组织的存在多数是由成分偏析引起，成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重[6]。如图3所示，可以看到其组织中含有大量夹杂物，根据形态判断主要为硫化物夹杂物。
图2 弯断样品的组织照片
图3 弯断样品的夹杂物照片
2.3 电镜结果
对样品断口进行扫描电镜分析，其结果如图4所示。将扫描电镜（SEM）放大至1 000倍左右，如图4-1和4-2所示，可以看到其晶界处出现开裂现象，因此对晶界处进行放大观察[7]。对晶界处放大，可以看到晶界的三叉交点处有明显开裂。利用能谱对晶面及晶界处的元素进行分析，其位置如图5所示，能谱结果如表2所示，可以看到，晶面处的元素组成主要为Fe元素，同时含有少量的Mn、O、C元素，均为为钢材组成的基本元素。晶、界处的元素组成主要为Fe，同时含有少量的Mn、O、Si、Sn元素，其中Fe、Mn、O、Si均为钢材组成的基本元素及生产过程中产生的夹杂物元素组成，而Sn元素主要集中在晶界处。
表2 弯断样品的晶界能谱结果 %
图4 弯断样品的SEM图
图5 弯断样品的晶界能谱结果
3 分析讨论
根据直读光谱仪的结果显示，钢中的主要元素均在规格要求范围内，但从组织结果可以看出，该样品部分位置存在带状组织，而钢中带状组织的出现大多数是由钢材的组成成分偏析引起的，成分偏析越严重，形成的带状组织也越严密。
元素在钢中的偏析对钢的性能有着显著的影响，不同元素的偏析对性能的影响不同，其偏析的量和偏析的位置都会对钢的性能产生很大影响[8]。元素在钢中发生偏析的位置主要集中在晶界和位错线，当其发生在晶界时将直接导致晶界的脆化或者细晶强化效果，并进而影响钢的塑韧性、淬透性和回火脆性等[9-11]。基于此，利用扫描电镜对样品进行形貌观察。结果证明，其断口的形貌确实出现晶界开裂的现象。晶界和晶面的元素能谱结果证明该样品确实存在高含量的金属锡元素偏析，主要聚集在晶界处，且晶界出现大量沿晶开裂的现象。
最终证明，证明该样品的断裂主要是因为在炼钢过程中加入了超量的锡元素物质，导致在冶炼过程中锡元素出现偏析，集中出现在晶界处。
4 结论
1）对HRB400E热轧肋钢筋弯曲断裂样品的断口处有沿晶开裂的现象，并有锡元素的存在且该元素在晶界处的偏析导致晶界脆化，从而造成钢材内部出现大量的沿晶开裂，从而发生弯曲断裂。
2）锡元素的存在对其炼钢的主要元素含量造成的影响不大，但对其组织影响较大。通过金相显微镜对其进行低倍检验，发现具有明显的带状组织。
