摘 要:某公司生產的 HRB５００E高強度抗震鋼筋在冷彎試驗中發生脆斷現象.利用直讀光譜 儀、光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等分別對脆斷鋼筋的化學成分、顯微組織、斷口形貌及夾雜物成 分等進行了檢驗和分析.結果表明:鋼液氧化所產生的大量超長、超寬硅酸鹽類夾雜物是導致該 HRB５００E高強度抗震鋼筋冷彎脆斷的主要原因. 

關鍵詞:高強度抗震鋼筋;冷彎脆斷;硅酸鹽類夾雜物;失效分析 

中圖分類號:TU５１１．３２;TG１４２．１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１８Ｇ０３

高強度抗震鋼筋的良好塑韌性、高強屈比、高屈 服強度可以最大限度地吸收地震能量,提高建筑物 的安全性[１].目前,雖然國內各大鋼鐵企業生產出 了５００MPa級高強度抗震鋼筋,但對微合金化控軋 控冷工藝的研究還不夠深入,時常出現質量缺陷. 為了達到５００ MPa的強度要求,國內大多數企業添 加的釩、氮合金量偏高,不僅增加了生產成本,而且 由于一味追求高強度,導致鋼筋帶狀組織嚴重、脆斷 缺陷增多,進而強屈比和斷后伸長率降低.

某公司近期生產的 HRB５００E高強度抗震鋼筋 中,出現個別規格為?２８mm 的抗震鋼筋在冷彎試 驗過程中發生橫向斷裂的現象.筆者主要利用直讀 光譜 儀、光 學 顯 微 鏡、掃 描 電 鏡 (SEM)、能 譜 儀 (EDS)等分別對冷彎脆斷鋼筋的化學成分、顯微組 織、斷口形貌以及夾雜物成分等進行了檢驗和分析, 以查明其冷彎脆斷的主要原因.

１ 理化檢驗 

１．１ 斷口宏觀分析

取２個?２８mm 的 HRB５００E鋼筋試樣在 GWＧ ５０B型鋼筋彎曲試驗機上進行冷彎試驗,其中一個 試樣出現冷彎脆斷現象,斷口形貌如圖１所示.可 以看出:開裂源位于鋼筋表面一側橫肋的根部,開裂 源部位斷口平齊;裂紋擴展區呈放射狀,逆向指向裂 紋源,為典型的脆性斷口;另一側為瞬斷剪切唇,表 面呈纖維狀,為斷裂過程的最后階段[２]. 

１．２ 化學成分分析 

對該爐次熔煉樣及冷彎脆斷鋼筋取樣(脆斷試樣 化學成分分析取樣位置遠離斷口)[３],使用 ARL３４６０ 直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表１,可見各元素含量均符合相關技術要求.

１．３ 金相分析 

在冷彎脆斷鋼筋斷口處截取橫截面試樣,磨制、 拋光后使用 GX７１光學顯微鏡進行金相觀察.拋光 態觀察發現,對應開裂源部位的基體上存在大量塊 狀硅酸鹽類夾雜物,橫截面夾雜物的長度方向顯示 的是夾雜物的寬度[４],如圖２所示. 

將開裂源橫截面夾雜物部位做好標記后,再磨 制開裂源縱向截面到夾雜物部位,測量夾雜物長度, 發現該部位存在大量超長、超寬硅酸鹽類夾雜物:夾 雜物的最大寬度為５３μm,如圖２所示;夾雜物的總 長度為１．１mm,如圖３所示. 

將磨制好的橫截面試樣用４％(體積分數)硝酸 酒精溶液侵蝕后再在光學顯微鏡下觀察.如圖４所 示,試樣 基 體 顯 微 組 織 為 均 勻 的 鐵 素 體 ＋ 珠 光 體[５Ｇ６],晶粒度級別為９．５級,無異常組織缺陷.

１．４ 斷口微觀分析 

利用ZEISSSIGMA HD掃描電鏡(SEM)對冷 彎脆斷鋼筋斷口進行觀察發現,整個斷口基本為脆 性斷口,如圖５所示.其中,開裂源位置斷口上分布 著較多的塊狀小亮點,如圖６所示;使用 XＧMax５０ 能譜儀(EDS)分析可確認這些塊狀物為硅酸鹽類夾 雜物,如圖７所示.

２ 綜合分析 

由上述理化檢驗結果可知:該冷彎脆斷鋼筋的 化學成分及對應爐次鋼液的化學成分均符合相關技 術要求;顯微組織為均勻的鐵素體＋珠光體,無異常 組織特征,晶粒度級別為９．５級,均符合相關標準對 HRB５００E高強度抗震鋼筋的技術要求[７].

經調研,該公司生產的該爐次使用開澆爐,鋼液澆鑄溫度過高,造成了鋼液與空氣嚴重的二次氧化, 形成了大量的外來硅酸鹽類夾雜物[８],夾雜物未及 時上浮,混入結晶器內,導致鋼坯鋼材中出現大量的硅酸鹽類夾雜物. 

鋼筋脆斷斷口中出現了超長、超寬型硅酸鹽類 夾雜物,且硅酸鹽類夾雜物為脆性夾雜物,與基體金 屬的韌性、塑性有較大的差別.試樣在冷彎變形時, 夾雜物不能產生相應的變形[９],鋼的變形在夾雜物 與基體界面處發生應力集中,使該處產生微裂紋,隨 著載荷的增加夾雜物處所產生的微裂紋將不斷擴 展,達到一定臨界狀態時便會發生開裂[１０].

３ 結論及建議

(１)HRB５００E高強度抗震鋼筋冷彎脆斷的主 要原因為材料中存在大量硅酸鹽類夾雜物,其次為 應力集中,在受到彎曲應力時,兩者會共同作用在最 薄弱部位使鋼筋發生橫向脆性斷裂. 

(２)鋼液澆鑄溫度過高,造成了鋼液與空氣的 嚴重二次氧化,是導致形成大量硅酸鹽類夾雜物的 主要原因. 

(３)建議優化冶煉工藝制度,提高鋼液潔凈度, 降低夾雜物含量,改善夾雜物的分布形態,避免類似 質量事故的再發生.

參考文獻: 

[１] 林雙平,苗明明,張巖,等．建筑用高強抗震鋼筋[J]． 金屬熱處理,２０１２,３７(７):１０２Ｇ１０５． 

[２] 上海交通大學«金屬斷口分析»編 寫 組．金 屬 斷 口 分 析[M]．北京:國防工業出版社,１９７９． 

[３] 李海明．４０Cr鋼汽車半軸斷裂原因分析[J]．理化檢 驗(物理分冊),２０１６,５２(８):５８９Ｇ５９３． 

[４] 高海軍,鄒宗明,馬林虎,等．抽油泵凡爾罩斷裂失效 分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(４):２８４Ｇ２８７． 

[５] 上海交通大學金相分析編寫組．金相分析[M]．北京: 國防工業出版社,１９８２． 

[６] 上海市機械制造工藝研究所．金相分析技術[M]．上 海:上海科學技術文獻出版社,１９８７． 

[７] 杜增路,劉 純 星,王 學 安,等．?４０ mm 大 規 格 HRB５００E抗震鋼筋工藝試制實踐[J]．冶金標準化與 質量,２０１３,５１(１):４２Ｇ４４． 

[８] 王新華,陳斌,姜敏,等．渣Ｇ鋼反應對高強度合金結構 鋼中生成較低熔點非金屬夾雜物的影響[J]．鋼鐵, ２００８,４３(１２):２８Ｇ３２． 

[９] 張愛梅．非金屬夾雜物對鋼性能的影響[J]．物理測 試,２００６,２４(４):４２Ｇ４４． 

[１０] 王春亮．法蘭開裂 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),２０１３,４９(２):１１３Ｇ１１６． 

文章來源——材料與測試網