超高強度抗震鋼筋反彎斷裂研究與改進

盧春光，張澤宇，林生秀，李 博，王小東，史永剛，姜新巖

（陜鋼集團產業創新研究院有限公司，陜西 漢中 723000）

超高強度抗震鋼筋是新一代建筑用鋼，與HRB400鋼筋相比，具有強度高、延伸率好、抗震性優、可安全儲備、易于混凝土振搗，防腐性能更佳、替代HRB400鋼筋可節約鋼筋用量30%，建筑工程綜合成本低、施工簡便等優點。超高強度抗震鋼筋是引領鋼鐵與建筑業轉型升級具有革命性的新材料，代表未來建筑用鋼的方向。某鋼鐵企業在開發超高強度抗震鋼筋時，各項性能指標均滿足用戶要求，但是，在產品檢驗中時常出現反彎斷裂的情況。對合格批次及反彎斷裂批次的生產過程、檢驗結果進行對比分析，查找其反彎斷裂的原因。

1 試驗材料及方法

本試驗采用的實驗材料取自某公司生產的Φ25 mm的超高強度抗震鋼筋，選取反彎斷裂試樣和反彎合格的另外一批次同規格的樣品進行對比分析。對選取試樣的化學成分、氣體含量、性能對比、金相組織、非金屬夾雜和斷口等進行分析，尋找其反彎斷裂的主要原因。

反向彎曲試驗工藝：將試樣先正向彎曲90°→經正向彎曲后的試樣在100℃±10℃的溫度下保溫至少30 min→經自然冷卻后再反向彎曲20°。

2 試驗結果

2.1 成分分析

利用ARL3360型直讀光譜儀分別測定了兩批次試樣的化學成分，分析結果如表1所示。由表1可以看出，兩批次試樣成分基本一致，均在標準[1]要求的范圍內，成分一致性控制較好，可見鋼材成分不是導致鋼材反彎斷裂的主要原因。

表1 實驗材料的化學成分 %

2.2 性能對比

利用WESW-600C型拉力試驗機分別測定兩批次試樣的抗拉性能，結果如表2所示?？梢妰膳卧嚇涌估阅芫鶟M足標準要求，但斷裂試樣無論是屈服強度還是抗拉強度都稍高于合格試樣，抗屈比均滿足標準要求，相差很小。

表2 實驗材料的抗拉性能

2.3 氣體含量分析

對合格試樣、斷裂試樣進行氣體含量分析，結果如表3所示，鋼材的N、O元素含量均在正常范圍內。

表3 鋼材氣體元素分析結果 %

2.4 斷口觀察

取反彎斷裂試樣分析，斷口形貌如圖1所示，試樣的反彎斷口均呈現解理狀，為脆性斷口，斷口處存在由表面向中心延伸的裂紋。

圖1 反彎斷口形貌分析

2.5 顯微組織分析

取反彎斷裂試樣和合格試樣附近區域進行金相組織分析，如圖2所示，反彎斷裂樣品顯微組織呈網狀鐵素體+珠光體，合格樣品顯微組織為正常鐵素體+珠光體，采用IPP對兩相進行定量分析，其中反彎斷裂試樣珠光體含量為70.3%，合格試樣珠光體含量為40.5%。根據鐵碳相圖，應用杠桿定律[2]可計算出斷裂試樣w（C）為0.26%時，鋼中珠光體含量31.8%，鐵素體含量68.2%，因此，可判斷反彎斷裂試樣顯微組織異常。

圖2 鋼材顯微組織照片

3 討論分析

超高強度抗震鋼筋正常組織應該為具有良好塑性和韌性的鐵素體＋珠光體，但不同的鐵素體和珠光體含量以及其晶粒尺寸大小，對塑韌性的影響也很大。晶粒尺寸d與裂紋擴展臨界應力σt的關系是σt∝d-1/2，也就是隨著鐵素體晶粒尺寸減小，裂紋擴展臨界應力提高，鋼的韌性也相應提高[3]。因此，鋼中存在數量較多、晶粒細小的鐵素體可以提高鋼的韌性。珠光體的強度、硬度均高于鐵素體，一般隨著珠光體硬相含量增加，鋼的抗拉性能提高，但韌性降低。

由于本次超高強度抗震鋼筋Φ25 mm生產時氣溫較低，根據Fe-Fe3C相圖[4]計算，T63E鋼筋的γ→α轉變溫度為810℃左右，γ→Fe3C轉變溫度為700℃左右，在現場實際測得鋼材由800℃降低至700℃的冷速為3℃/s。當冷速過快時，碳元素在奧氏體中擴散系數降低，沿晶界析出的先共析鐵素體呈網狀，珠光體團變大。在彎曲應力的作用下，易優先在鋼材的應力集中及表面缺陷區域萌生裂紋，網狀鐵素體和塊狀珠光體的微觀組織嚴重影響了鋼材的韌性，使得表面裂紋迅速生成及擴展，造成鋼材反彎斷裂。

4 結論

1）超高強度抗震鋼筋Φ25 mm反彎斷裂試樣組織由奧氏體轉變為網狀鐵素體+大塊狀珠光體。

2）根據鐵碳相圖，應用杠桿定律可計算出斷裂試樣w（C）為0.26%時，鋼中珠光體含量31.8%，鐵素體含量68.2%。因此，可判斷反彎斷裂試樣顯微組織異常。

3）超高強度抗震鋼筋Φ25 mm反彎斷裂主要原因為冷速過快，組織由奧氏體轉變為網狀鐵素體+大塊狀珠光體，導致鋼材韌性變差。