影响HRB600 强屈比因素分析

2024-01-07常晓瑾周庆辉

山西冶金 2023年7期

常晓瑾，周庆辉，吕磊

（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西勉县 724200）

0 引言

HRB600 级高强钢筋是目前强度最高的螺纹钢筋，具有良好的塑性、韧性，吸收地震能量及加工成型的要求，与目前主要使用的HRB400、HRB500 级钢筋相比，强度更高、安全性刚好，用量更少，可分别节约用钢量44.4%和19.5%，是一种绿色环保型钢筋，具有极大的推广价值和应用价值。

强屈比是指钢筋的抗震性能，由钢筋的抗拉强度实测值和屈服强度实测值的比值得来，反应了钢材的强度储备。强屈比越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性就越大，建筑结构安全性就越高。在我国抗震钢筋强屈比要求大于1.25，以保证纵向钢筋具有一定的延性。本文以HRB600 为研究对象，并根据陕西集团汉中钢铁有限责任公司（全文简称汉钢公司）HRB600 试验数据，对影响钢筋抗屈比因素进行了分析研究，以指导汉钢公司产品的生产和检验。

1 影响HRB600 强屈比的因素分析

强屈比是抗拉强度和屈服强度的比值，其中任何一个变量的变化都可能引起强屈比的变化。大多情况下，随着屈服强度的上升，抗拉强度也随之上升，但两者上升速度却差异较大，若屈服强度上升速度大于抗拉强度速度，强屈比将会降低。实践表明，随着钢筋强度等级的增加，强屈比指标逐渐降低，主要原因在于屈服强度上升速度要慢于抗拉强度上升速度[1]。随着汉钢公司HRB600 的开发和应用，在HRB600 强屈比提升方面做了大量的试验数据研究和分析，发现影响钢筋强屈比的因素主要包括合金成分、加热温度、显微组织、钢材时效等。

1.1 合金成分的影响

不同元素的作用机理不同，对钢筋的强化方式不同，所以熔炼成分的差异和波动对屈强比有一定影响。C 能通过固溶强化显著提高抗拉强度，有利于提高强屈比。实际生产过程中w（C）控制在0.24%～0.28%之间；Si 虽然也是一种固溶元素，可溶于铁素体和奥氏体中，提高钢的强度和硬度，但同时也会提高钢的弹性极限和屈服极限，导致强屈比降低；Mn 溶入铁素体引起固溶强化提高热轧钢筋的强度和硬度，并使钢材在冷轧后冷却时得到比较细且强度较高的珠光体，有利于强屈比的提高，但由于提高了淬透性和降低了马氏体的转变温度，对焊接性能不利；V 是钢筋生产中一种重要的微合金强化元素，V 可以促进V（C，N）化合物的析出，抑制奥氏体和铁素体晶粒的长大，具有较强的析出强化与细晶强化作用，可显著提高钢筋的强度，研究表明V 含量过高对屈服强度的提升会超出对抗拉强度的提升，所以单一钒微合金化高强抗震钢筋实际生产过程中强屈比不合的情况大多发生于屈服强度较高的批次；N 可以促进钢中碳氮化合物的形成，显著提高钢筋强度，可以明显减少V 的使用并降低生产成本，但是随着N 含量的升高，钢筋时效敏感性增加；Nb 在钢中一方面偏聚在奥氏体晶界，降低晶界能，抑制再结晶。另一方面Nb 与C、N 元素结合形成Nb（C，N）析出，钉扎奥氏体晶界，抑制晶粒长大[2]。

1.2 显微组织的影响

当材料由较软基体相和较硬的硬化项组成，屈服强度主要取决于基体相中软项的屈服强度时，强屈比：

式中：fH为硬化相体积分数；ReB为基体相的屈服强度；RmH和RmB为硬化相和基体相的抗拉强度。

由此可判断可通过提高硬化相比例，提高屈比，钢筋生产过程中即生产过程中提高珠光体含量有利于提升强屈比。亚共析钢中，随碳含量的升高，珠光体相对含量增加；Mn、Nb 等元素降低了奥氏体转变温度，提高了钢的淬透性，有利于珠光体含量的提升。适当提高加热温度和开轧温度会使晶粒粗化，降低细晶强化对强屈比的影响。

1.3 钢材时效的影响

钢材时效主要由钢中的C、N 间隙原子引起，经过形变，钢材位错密度增加，时效后，α-Fe 中的碳、氮原子与位错之间发生弹性交互作用，形成柯氏气团，引起时效性能改变。金属材料的弹性极限主要取决于原子的间距，热轧带肋钢筋在轧制、冷却过程中会产生残余应力，随着时间推移钢筋内部残余应力逐渐释放，原子间距逐渐趋于稳定，但时效过程中金相组织未发生变化，所以时效作用会明显降低屈服强度，但对抗拉强度无明显影响，钢材强屈比就会呈上升趋势。

2 试验数据分析与讨论

2.1 工艺流程

工艺流程：铁水+废钢→120 t 转炉→脱氧合金化→八机八流连铸机→加热炉→轧线→打包→出库。

2.2 试验钢的成分设计与制备

钢筋的化学成分和工艺参数决定了钢筋的力学性能，汉钢公司HRB600 试验生产过程中，为探究合金元素与钢材性能的关系，本次试验设计了4 种化学成分，表1 为具体试验生产数据。A1 为纯钒氮微合金化工艺；A2 在A1 基础上提高了0.010%的w（Nb）；A3在A2 基础上降低了0.003%的w（V），提高了0.005%的w（Nb）；A4 则在A3 基础上提高了0.05%的w（Mn），降低了0.10%的w（Si）和0.005%的w（V），采用蓄热式加热炉加热至1 100 ℃±50 ℃，保温50 min，经连续式轧机轧制，上冷床温度为930～980 ℃，最终得到Φ22 mm 规格螺纹钢。

表1 HRB600 试验成分、性能

通过实验样对比可以看出，A2、A3 使用铌钒复合进行微合金化较A1 单纯使用钒微合金化，钢材强屈比明显提升，说明钒钢中加铌可以有效提高钢材强屈比；对比A3、A4 试样，降低了钒或硅的成分后，屈服强度降幅明显大于抗拉强度降幅，强屈比反而得到了提升。

2.3 金相组织结果

在实践生产过程中，轧钢温度控制变化不大，所以金相组织主要和成分有关。选取了生产各个阶段的钢筋，试样经磨抛、4%硝酸酒精腐蚀，用光学显微镜进行金相显微组织分析，发现基体组织都为铁素体+珠光体，晶粒度约10.0～11.0 级，但珠光体含量有一定波动，经过成分调整后，珠光体含量明显增加。A1 珠光体含量（体积分数，下同）为46.68%，A4 珠光体含量为55.21%。图1 为A1 放大100 倍和500 倍时的金相显微组织，图2 为A4 放大100 倍和500 倍时的金相显微组织。

图1 A1 放大的金相显微组织

图2 A4 放大时的金相显微组织

3 钢材时效情况

在HRB600 钢筋检验过程中，随机选取了部分批次钢筋做了15 d 自然时效性能检测，试验数据结果表明，自然时效对钢筋的强屈比影响较大，时效后钢材屈服强度明显降低，平均降低7.7 MPa，但抗拉强度却无明显变化，平均波动2 MPa 以内，以致于强屈比得到了一定幅度的提升。表2 为试验批次时效性能结果对比情况。