HRB400E熱軋肋鋼筋彎曲斷裂的失效分析研究

楊曉燕，衛社彥，許艷妮，李君榮，楊 鳳

（陜西龍門鋼鐵有限責任公司能源檢計量中心質檢作業區，陜西 韓城 715405）

21世紀以來，隨著經濟的高速發展、人民對高水平生活意識的提高，我國建筑業及鋼鐵產業飛速發展使得人們對其各方面性能的要求也越來越高。HRB400E熱軋肋鋼筋是建筑業及國民經濟中的重要支柱[1-2]，是國內很多鋼廠的主導產品之一。金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM）及其配套X射線能譜（EDS）作為電子顯微分析技術中應用極為廣泛的儀器，能在對各種材料的組織、微觀形貌觀察的同時對成分進行微區分析、線分析及面分析。鋼鐵材料主要用來進行斷裂失效分析、產品缺陷分析等。HRB400E熱軋肋鋼筋是本單位的主要產品之一，其中某一批進行力學性能的彎曲試驗過程出現脆性斷裂，產品的質量直接不合格，造成資源與成本的嚴重浪費。本文針對某一批HRB400E熱軋肋鋼筋在彎曲試驗過程中產生脆性斷裂的這一現象，利用光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜對斷裂樣品的成分及組織、形貌進行分析，探究廢鋼的加入對HRB400E熱軋肋鋼筋組織結構的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本文所分析鋼筋材料為西北某大型鋼企所生產的HRB400E熱軋肋鋼筋，鋼筋完成軋制后，在鋼筋在進行屈服試驗的過程中，彎曲90°時出現脆性斷裂現象。如圖1所示，為斷裂后的樣品。取樣方法如下：采用切割機分別在兩端距離斷口處5 cm處切割制取兩個試樣。

圖1 彎斷樣品的外觀圖

1.2 實驗方法

1.2.1 金相分析

采用公司的型金相顯微鏡對樣品進行測試。首先，利用固化劑將切割機所切取的樣品在磨具中冷卻成模，在磨樣機上對樣品分別進行磨制和拋光。磨制過程中轉速為600 r/min，試樣尺寸為磨面面積小于400 mm2，高度15～20 mm。拋光速度為600 r/min，所用拋光劑為金剛石。最后用4%的硝酸酒精溶液進行浸蝕。

1.2.2 電鏡分析

首先，將切割制取的樣品底面進行磨制至光滑平整，隨后在超聲清洗儀中用無水乙醇清洗樣品，清洗方案為清洗5次，每次3 min。采用德國蔡司公司VEO18掃描電鏡觀察其微觀形貌，并利用附帶的M40能量色散X射線光譜檢測器分析其表面元素組成。

2 實驗結果

2.1 成分結果

采用熒光光譜儀對樣品斷口處進行成分分析，其主要合金元素含量如表l所示?？煽闯?，鋼材主要合金元素基本在國家標準規定的范圍內[3]。由此可見，該種鋼材的成分控制不存在問題。冶金質量符合相關標準規定。

表1 鋼材中主要合金元素成分 %

2.2 金相組織

利用金相顯微鏡對所截取的磨面為原構件的橫截面的樣品組織及夾雜物進行觀察，結果如圖所示。根據國標GB 1499.2—2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[4]中關于組織的要求“普通熱軋帶肋鋼筋不得有影響使用性能的其他組織存在”。如圖2所示，可以看到其組織主要為鐵素體+珠光體+魏氏組織，其晶粒度大小為8.5級[5]；局部出現帶狀組織，即沿軋制方向形成的，鐵素體帶和珠光體帶相互堆疊而成的組織形態，而鋼中帶狀組織的存在多數是由成分偏析引起，成分偏析越嚴重，形成的帶狀組織也越嚴重[6]。如圖3所示，可以看到其組織中含有大量夾雜物，根據形態判斷主要為硫化物夾雜物。

圖2 彎斷樣品的組織照片

圖3 彎斷樣品的夾雜物照片

2.3 電鏡結果

對樣品斷口進行掃描電鏡分析，其結果如圖4所示。將掃描電鏡（SEM）放大至1 000倍左右，如圖4-1和4-2所示，可以看到其晶界處出現開裂現象，因此對晶界處進行放大觀察[7]。對晶界處放大，可以看到晶界的三叉交點處有明顯開裂。利用能譜對晶面及晶界處的元素進行分析，其位置如圖5所示，能譜結果如表2所示，可以看到，晶面處的元素組成主要為Fe元素，同時含有少量的Mn、O、C元素，均為為鋼材組成的基本元素。晶、界處的元素組成主要為Fe，同時含有少量的Mn、O、Si、Sn元素，其中Fe、Mn、O、Si均為鋼材組成的基本元素及生產過程中產生的夾雜物元素組成，而Sn元素主要集中在晶界處。

表2 彎斷樣品的晶界能譜結果 %

圖4 彎斷樣品的SEM圖

圖5 彎斷樣品的晶界能譜結果

3 分析討論

根據直讀光譜儀的結果顯示，鋼中的主要元素均在規格要求范圍內，但從組織結果可以看出，該樣品部分位置存在帶狀組織，而鋼中帶狀組織的出現大多數是由鋼材的組成成分偏析引起的，成分偏析越嚴重，形成的帶狀組織也越嚴密。

元素在鋼中的偏析對鋼的性能有著顯著的影響，不同元素的偏析對性能的影響不同，其偏析的量和偏析的位置都會對鋼的性能產生很大影響[8]。元素在鋼中發生偏析的位置主要集中在晶界和位錯線，當其發生在晶界時將直接導致晶界的脆化或者細晶強化效果，并進而影響鋼的塑韌性、淬透性和回火脆性等[9-11]?；诖?，利用掃描電鏡對樣品進行形貌觀察。結果證明，其斷口的形貌確實出現晶界開裂的現象。晶界和晶面的元素能譜結果證明該樣品確實存在高含量的金屬錫元素偏析，主要聚集在晶界處，且晶界出現大量沿晶開裂的現象。

最終證明，證明該樣品的斷裂主要是因為在煉鋼過程中加入了超量的錫元素物質，導致在冶煉過程中錫元素出現偏析，集中出現在晶界處。

4 結論

1）對HRB400E熱軋肋鋼筋彎曲斷裂樣品的斷口處有沿晶開裂的現象，并有錫元素的存在且該元素在晶界處的偏析導致晶界脆化，從而造成鋼材內部出現大量的沿晶開裂，從而發生彎曲斷裂。

2）錫元素的存在對其煉鋼的主要元素含量造成的影響不大，但對其組織影響較大。通過金相顯微鏡對其進行低倍檢驗，發現具有明顯的帶狀組織。