分享：HRB４００热轧带肋钢筋冷弯断裂原因分析

摘 要:某公司生产的 HRB４００热轧带肋钢筋在冷弯过程中发生断裂,采用宏观断口分析、化学 成分分析、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对断裂的原因进行了分析.结果表明:由于该 HRB４００热轧带肋钢筋的化学成分偏析严重,导致基体中显微组织不均匀,存在马氏体和贝氏体等 异常显微组织,使得钢筋强度高、塑性差;而且在该钢筋中存在大量的非金属夹杂物,破坏了钢筋基 体的连续性,使钢筋基体容易产生应力集中及形成空隙或裂纹,这两个因素最终造成了钢筋的冷弯 断裂. 

关键词:热轧带肋钢筋;冷弯断裂;成分偏析;非金属夹杂物 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８５３Ｇ０４ 

HRB４００热轧带肋钢筋具有高的强韧性以及良 好的焊接性能,被广泛应用于工业和民用建筑等领 域.某公司生产的?２２ mm 的 HRB４００热轧带肋 钢筋出现了弯曲断裂的情况,给公司造成了一定的 损失,针对这种情况,有必要对产生此次质量问题的 原因进行分析.

HRB４００ 热 轧 带 肋 钢 筋 的 生 产 工 艺 流 程 为: １２０t转 炉 冶 炼 → 钢 包 炉 精 炼 → 连 铸 → 粗 轧 → 中轧→精轧→穿水冷却.影响钢筋冷弯性能的因素 有很多,例如钢材的化学成分以及夹杂物的种类、大 小、数量、分布等,另外钢材显微组织和轧制工艺等 也会对钢筋的冷弯性能产生影响[１Ｇ２].

笔者通过宏观断口分析、化学成分分析、金相检 验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该 HRB４００ 热轧带肋钢筋冷弯断裂的原因,以期避免再次出现 同样的质量事故.

１ 理化检验 

１．１ 断口宏观分析 

HRB４００热轧带肋钢筋冷弯断口形貌如图１所示,可见其属于脆性断口,断口处于横肋位置,与横肋 平行,断口上有放射状纹路,放射状纹路收敛方向指 向裂纹源,裂纹源呈圆形斑点状,位于近试样边缘处.

１．２ 化学成分分析

追溯该批冷弯断裂试样的钢坯炉号,查找钢坯化 学成分,结果见表１;从断裂试样上截取一小段使用 ARL３４６０/AD型直读光谱仪分析其化学成分,结果见 表１.由表１可知,该断裂钢筋的化学成分符合 GB １４９９．２－２００７«钢筋混凝土用钢 第２部分:热轧带肋 钢筋»对 HRB４００热轧带肋钢筋的技术要求. 

１．３ 金相检验 

１．３．１ 显微组织 

HRB４００热轧带肋钢筋经过控轧控冷工艺,最 终正常的显微组织应该是铁素体＋珠光体,边缘可 能会存 在 少 数 回 火 索 氏 体.依 据 GB/T１３２９８－ ２０１５«金属显微组织检验方法»从断裂试样上截取垂 直于锻轧方向的横截面,磨制、抛光后,用４％(体积 分数)的硝酸酒精溶液侵蚀,用光学显微镜观察其显 微组织形貌,如图２所示.可见其显微组织异常且 不均匀,有几处存在明显的偏析,试样心部显微组织 为马氏体＋铁素体＋贝氏体,试样边缘显微组织为 回火马氏体＋贝氏体.由图２g)可见试样边缘淬火 层的厚度约为１mm.

１．３．２ 非金属夹杂物 

依据 GB/T１３２９８－２０１５从断裂试样上截取平 行于锻轧方向的纵截面,磨制、抛光后,用光学显微 镜观察其非金属夹杂物形貌,如图３所示.可见试 样表面附近存在夹杂物,依据 GB/T１０５６１－２００５ «钢中非金属夹杂物含量测定———标准评级图显微 检验法»对 非 金 属 夹 杂 物 含 量 进 行 评 定,结 果 为: A０．５,B０．５,C３．０e,D０．５,DS２．０. 

１．４ 扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析 

１．４．１ 断口SEM 分析 

断 口 经 酒 精 超 声 波 清 洗 后 使 用 蔡 司ΣIGMAHD/VP型扫描电镜进行观察,如图４所示,可见断 口裂纹源处存在大量夹杂物.对夹杂物进行 EDS 分析,如图５所示,可见夹杂物主要为氧化物(镁元 素来源于中间包的耐火材料)、铝酸盐及硅酸盐,断 裂处氧元素含量较高[３]. 

１．４．２ 微区成分 EDS分析 

取垂直于锻轧方向的横截面,磨制、抛光后,将 试样从边缘到中心划分为５等份,进行能谱线扫描, 结果表明该 HRB４００热轧带肋钢筋表面到心部的 化学成分不均匀,心部成分偏析严重[４].

２ 分析与讨论 

２．１ 化学成分对弯曲性能的影响 

由理化检验结果可知,冷弯断裂试样熔炼钢坯 的化学成分与钢筋的化学成分均符合标准要求,但 从能谱分析的结果可以看出,试样的微区成分存在 碳、硅、锰元素的严重偏析.钢中以固溶形式存在的 硅,能一定程度地提高钢的强度与硬度,但是也会降 低钢的韧性;锰元素溶于铁素体中,提高了铁素体的 强度,但锰元素含量超过一定的限度时,也会降低钢 的韧性.硅、锰元素含量过高,使得铁碳相图共析点 左移,珠光体含量升高,强度增加而韧性下降.钢筋 心部化学成分的严重偏析是造成其冷弯断裂的主要 原因之一[５].

２．２ 显微组织对弯曲性能的影响 

由微区化学成分分析结果可知,该 HRB４００热 轧带肋钢筋的化学成分偏析严重,再加上钢材冷却 时表面与心部的冷却速率不一致,导致了试样显微 组织差异大,不同区域有不同的显微组织.钢材在 冷却过程中表面的冷却速率大于心部的,钢筋表面 首先形成马氏体,而心部一般不会形成马氏体,但是 由于断裂钢筋心部锰元素含量偏高,使得奥氏体能 够保持到较低的温度,最终导致心部奥氏体转变为 马氏体,而边部马氏体发生回火,转变成回火马氏 体,回火马氏体致脆,使材料的韧性急剧下降.在低 温区组织转变过程中硅、锰元素使 C 曲线右移,使 得贝氏体冷速范围增大,冷却时发生贝氏体转变,铁 素体含量降低,塑性、韧性极大地降低了,导致钢筋 冷弯断裂[６Ｇ９].该 HRB４００热轧带肋钢筋轧制后冷 却速率过快,造成显微组织异常,可能是钢筋冷弯断 裂的主要原因.

２．３ 非金属夹杂物对弯曲性能的影响 

非金属夹杂物检验结果表明,试样表面附近存 在硅酸盐类夹杂物,由硅酸盐类夹杂物变形指数与 温度的关系可知,硅酸盐类夹杂物高温时可随钢的 基体协调变形,室温时不能与钢同时变形,当进行冷 弯操作时硅酸盐类夹杂物阻碍了晶粒之间的协调 性,产生应力集中,从而引起开裂,随着弯曲角度的 增大,裂纹进一步扩展导致冷弯断裂[１０Ｇ１３].且断裂 源处存在大量弥散分布的复合型颗粒状夹杂物,加 速了钢筋的冷弯断裂.

３ 结论及建议 

由于该 HRB４００热轧带肋钢筋的化学成分偏析严重,导致冷却过程中钢筋的显微组织不均匀, 存在马氏体 和 贝 氏 体 等 异 常 组 织,使 得 钢 筋 强 度 高,塑性差;而且在该钢筋中存在大量的非金属夹 杂物,破坏了钢筋基体的连续性,使钢筋基体容易 产生应力集 中 及 形 成 空 隙 或 裂 纹,造 成 钢 筋 冷 弯 断裂. 

建议在保证钢筋力学性能合格的前提下,严格 控制冷却速率和化学成分,特别是碳、硅、锰元素的 含量应控制在中下限;合理控制合金加入钢包中合 金元素的扩散时间,多次使用电磁搅拌,以保证钢包 吹氩时间与压力,使钢液成分均匀,减少夹杂物的含 量,改善钢的显微组织,从而避免该类质量事故的再 次发生. 

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文章来源——材料与测试网