分享：超高强抗震钢筋弯曲断裂原因

摘 要:超高强抗震钢筋在进行弯曲试验时发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜 分析、金相检验、中心偏析检验等方法,对弯曲试样断裂的原因进行分析。结果表明:热轧前加热温 度较高,变形后奥氏体晶粒长大,使得珠光体团尺寸增大、珠光体含量增多;冷却缓慢导致网状铁素 体沿奥氏体晶界析出,使材料的塑性和韧性下降,最终导致试样在弯曲试验时发生断裂。 

关键词:超高强抗震钢筋;弯曲断裂;珠光体团;网状铁素体 

中图分类号:TB31                          文献标志码:B                                     文章编号:1001-4012(2023)05-0030-04 

随着国内建筑行业的发展,大型公共建筑、高层 住宅建筑及重大科技基础设施工程建筑等复杂结构 对热轧带肋钢筋承载能力的要求越来越高。同时, 为了减少地震、台风和泥石流等自然灾害对人们生 命财产造成的损失,并降低建筑钢材工程总用量,以 实现节能减排的目的,高强度、高延性、高韧性和高 屈强比的抗震钢筋在建筑、桥梁、电力、石油等领域 得到了广泛的应用。

近期某公司生产的超高强抗震钢筋在进行弯曲 试验时,多个试样发生断裂。采用宏观观察、化学成 分分析、扫描电镜(SEM)分析、金相检验、中心偏析 检验等方法,对该批次断裂试样进行研究,并与同批 次弯曲正常试样进行对比,确定其弯曲断裂原因,以 期为生产工艺优化提供方向。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

弯曲断裂试样断口的宏观形貌如图1所示,由 图1可知:试样1~4的断口平齐,无明显颈缩与变 形,呈灰色纤维状,有明显的放射线花样,属于正断 类型的脆断断口;断裂起源于表面,断口存在裂纹。

1.2 化学成分分析 

采用 SPECTRO Lab11 型 直 读 光 谱 仪 对 试 样1和同批次弯曲正常试样进行化学成分分析, 结果如表1所示,可见试样1的化学成分符合技 术要求。 

1.3 SEM 分析 

采用ZEISSEVO18型钨灯丝 SEM 对试样1 的断口进行观察,结果如图2所示。由图2可知:裂 纹源区未发现裂纹、夹杂等缺陷,裂纹源区与裂纹扩展区均呈准解理形貌,断口存在短而不连续的河流 花样形貌,并可见较多的撕裂棱特征,沿晶有二次 裂纹。 

1.4 金相检验 

在试样1、试样2和同批次弯曲正常试样上分 别截取金相试样,使用ZEISSAxioObserver.7m型 光学显微镜对其进行观察。在试样1和试样2的纵 向截面上均发现大量灰色硫化物,呈短条状分布(见 图3)。同批次弯曲正常试样的整个纵截面上分布 着大量呈短条状的灰色硫化物 (见图 4)。依据 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测 定 标准评级图显微检验法》中的 A 法对试样1、试 样2和同批次弯曲正常试样进行非金属夹杂物评 定,结果如表2所示。

采用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液将试样1、 试样2和同批次弯曲正常试样进行腐蚀,并观察其 显微组织形貌,结果如图5~7所示。由图5~7可 知:试样1和试样2的显微组织均为块状铁素体+网状铁素体+片状珠光体+少量魏氏体;试样1整 个纵截面区域分布着由网状铁素体包围的珠光体 团,且 珠 光 体 团 尺 寸 相 对 较 大,平 均 截 距 为 67.3μm,整 个 纵 截 面 铁 素 体 的 平 均 截 距 为 14.1μm,从边部至中心3个位置的珠光体含量依次 为70%,73%,70%;试样2纵截面区域1/2半径至 中心位置含有大量由网状铁素体包围的珠光体团, 珠光体团的平均截距为47.6μm,边部组织较为均 匀,整个纵截面铁素体的平均截距为16.8μm,从边 部至中心 3 个位置的珠光体含量依次为 58%, 66%,68%;同批次弯曲正常试样的显微组织为块状 铁素体+网状铁素体+片状珠光体+少量魏氏体, 边部组织相对比较均匀,1/2半径至中心位置分布 有沿加工方向的带状组织,网状铁素体的含量较少, 基本呈半封闭状态,珠光体团的平均截距为40μm, 整个纵截面铁素体的平均截距为14.1μm,从边部至中心3个位置的珠光体含量依次为46%,52%, 55%。

1.5 中心偏析检验 

在试样2上取样,参照 YB/T4413—2014《高 碳钢盘条中心偏析金相评定方法》,采用体积分数为 4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后对其进行观察,可见试样 2的中心偏析为0级,即在中心区域未发现明显偏 析(见图8)。

2 综合分析 

从弯曲断裂试样断口的宏观、微观形貌和颈缩 变形情况可以判断,试样断裂性质为脆性断裂中的 准解理断裂,起始裂纹源存在于试样表面,断口未发 现明显缺陷。断裂试样的化学成分满足设计要求。

试样1和试样2中 A 类硫化物和 C类硅酸盐 的含量较多,且 A类硫化物分布于试样的整个纵截 面,说明非金属夹杂物是导致试样弯曲断裂的因素 之一。试样1整个纵截面分布有网状铁素体,珠光 体团的平均截距为67.3μm,铁素体的平均截距为 14.1μm,珠光体团的尺寸较大,珠光体的平均含量 为71%;试样2纵截面的边部组织较均匀,从边部 至中心3个位置的铁素体尺寸基本相同,网状铁素 体含量逐渐增多,珠光体团的尺寸增大,珠光体含量 逐渐增多,珠光体的平均含量为64%,其中1/2半 径至中心位置珠光体的平均含量为67%。

网状铁素体含量较多、珠光体含量较多、珠光体 团的尺寸较大,会降低材料的塑性和韧性。在亚共 析钢中,随着碳元素含量增多,珠光体含量增多,热 变形后冷却缓慢会促进网状铁素体的形成。在保证 钢坯变形量充足的条件下,随着加热温度的升高,奥 氏体晶粒尺寸增大,会导致珠光体团尺寸增大,珠光 体含量增多[1-3]。结合试样2的显微组织特征,对其 进行了中心偏析检验,未发现中心偏析现象。该钢 坯在开轧前加热至1200℃,加热温度过高,热变形后冷却速率较慢,使得奥氏体晶粒迅速长大,同时为 碳原子的扩散提供了热力学条件,铁素体的析出使 得碳原子进入未转变奥氏体中,促进了未转变的奥 氏体发生共析转变,珠光体团的尺寸增大,珠光体含 量增多,并沿晶界形成了网状铁素体,降低了材料的 塑性和韧性。 

同批次弯曲正常试样的化学成分、非金属夹杂 物等级、硫化物分布形态与弯曲断裂试样的基本一 致,说明非金属夹杂物不是导致试样弯曲断裂的主 要因素。同批次弯曲正常试样的显微组织较细,网 状铁素体含量较少,珠光体的平均含量为51%,并 且有明显沿加工方向的带状组织,说明该材料在进 行变形时加热温度较低。因此,加热温度过高和热 变形后冷却缓慢形成的网状铁素体是导致试样弯曲 断裂的主要原因。 

3 结论 

超高强抗震钢筋弯曲断裂的原因为:热轧前加 热温度过高,珠光体团尺寸增大,珠光体含量增多, 材料的塑性和韧性下降;缓慢冷却时沿晶界析出的网状铁素体严重割裂了珠光体之间的联系,使材料 的塑性和韧性严重降低,最终导致钢筋在弯曲试验 时发生断裂。

参考文献: 

[1] 梁宇,向嵩,梁益龙,等.原奥氏体晶粒尺寸对珠光体 钢组织及韧性的影响[J].材料导报,2017,31(2):77- 81. 

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[3] 武坤,杨帆,王秀健,等.力矩扳手连接杆的断裂原因 及热处理工艺改进[J].理化检验(物理分册),2021, 57(11):71-74.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 5期 (pp:30-33)>