摘 要:某公司生产的 HRB５００E高强度抗震钢筋在冷弯试验中发生脆断现象.利用直读光谱 仪、光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等分别对脆断钢筋的化学成分、显微组织、断口形貌及夹杂物成 分等进行了检验和分析.结果表明:钢液氧化所产生的大量超长、超宽硅酸盐类夹杂物是导致该 HRB５００E高强度抗震钢筋冷弯脆断的主要原因.
关键词:高强度抗震钢筋;冷弯脆断;硅酸盐类夹杂物;失效分析
中图分类号:TU５１１．３２;TG１４２．１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１８Ｇ０３
高强度抗震钢筋的良好塑韧性、高强屈比、高屈 服强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,虽然国内各大钢铁企业生产出 了５００MPa级高强度抗震钢筋,但对微合金化控轧 控冷工艺的研究还不够深入,时常出现质量缺陷. 为了达到５００ MPa的强度要求,国内大多数企业添 加的钒、氮合金量偏高,不仅增加了生产成本,而且 由于一味追求高强度,导致钢筋带状组织严重、脆断 缺陷增多,进而强屈比和断后伸长率降低.
某公司近期生产的 HRB５００E高强度抗震钢筋 中,出现个别规格为?２８mm 的抗震钢筋在冷弯试 验过程中发生横向断裂的现象.笔者主要利用直读 光谱 仪、光 学 显 微 镜、扫 描 电 镜 (SEM)、能 谱 仪 (EDS)等分别对冷弯脆断钢筋的化学成分、显微组 织、断口形貌以及夹杂物成分等进行了检验和分析, 以查明其冷弯脆断的主要原因.
１ 理化检验
１．１ 断口宏观分析
�。哺�?２８mm 的 HRB５００E钢筋试样在 GWＧ ５０B型钢筋弯曲试验机上进行冷弯试验,其中一个 试样出现冷弯脆断现象,断口形貌如图１所示.可 以看出:开裂源位于钢筋表面一侧横肋的根部,开裂 源部位断口平齐;裂纹扩展区呈放射状,逆向指向裂 纹源,为典型的脆性断口;另一侧为瞬断剪切唇,表 面呈纤维状,为断裂过程的最后阶段[２].
１．２ 化学成分分析
对该炉次熔炼样及冷弯脆断钢筋取样(脆断试样 化学成分分析取样位置远离断口)[３],使用 ARL３４６０ 直读光谱仪进行化学成分分析,结果见表１,可见各元素含量均符合相关技术要求.
１．３ 金相分析
在冷弯脆断钢筋断口处截取横截面试样,磨制、 抛光后使用 GX７１光学显微镜进行金相观察.抛光 态观察发现,对应开裂源部位的基体上存在大量块 状硅酸盐类夹杂物,横截面夹杂物的长度方向显示 的是夹杂物的宽度[４],如图２所示.
将开裂源横截面夹杂物部位做好标记后,再磨 制开裂源纵向截面到夹杂物部位,测量夹杂物长度, 发现该部位存在大量超长、超宽硅酸盐类夹杂物:夹 杂物的最大宽度为５３μm,如图２所示;夹杂物的总 长度为１．１mm,如图３所示.
将磨制好的横截面试样用４％(体积分数)硝酸 酒精溶液侵蚀后再在光学显微镜下观察.如图４所 示,试样 基 体 显 微 组 织 为 均 匀 的 铁 素 体 ＋ 珠 光 体[５Ｇ６],晶粒度级别为９．５级,无异常组织缺陷.
１．４ 断口微观分析
利用ZEISSSIGMA HD扫描电镜(SEM)对冷 弯脆断钢筋断口进行观察发现,整个断口基本为脆 性断口,如图５所示.其中,开裂源位置断口上分布 着较多的块状小亮点,如图６所示;使用 XＧMax５０ 能谱仪(EDS)分析可确认这些块状物为硅酸盐类夹 杂物,如图７所示.
２ 综合分析
由上述理化检验结果可知:该冷弯脆断钢筋的 化学成分及对应炉次钢液的化学成分均符合相关技 术要求;显微组织为均匀的铁素体＋珠光体,无异常 组织特征,晶粒度级别为９．５级,均符合相关标准对 HRB５００E高强度抗震钢筋的技术要求[７].
经调研,该公司生产的该炉次使用开浇炉,钢液浇铸温度过高,造成了钢液与空气严重的二次氧化, 形成了大量的外来硅酸盐类夹杂物[８],夹杂物未及 时上浮,混入结晶器内,导致钢坯钢材中出现大量的硅酸盐类夹杂物.
钢筋脆断断口中出现了超长、超宽型硅酸盐类 夹杂物,且硅酸盐类夹杂物为脆性夹杂物,与基体金 属的韧性、塑性有较大的差别.试样在冷弯变形时, 夹杂物不能产生相应的变形[９],钢的变形在夹杂物 与基体界面处发生应力集中,使该处产生微裂纹,随 着载荷的增加夹杂物处所产生的微裂纹将不断扩 展,达到一定临界状态时便会发生开裂[１０].
３ 结论及建议
(１)HRB５００E高强度抗震钢筋冷弯脆断的主 要原因为材料中存在大量硅酸盐类夹杂物,其次为 应力集中,在受到弯曲应力时,两者会共同作用在最 薄弱部位使钢筋发生横向脆性断裂.
(２)钢液浇铸温度过高,造成了钢液与空气的 严重二次氧化,是导致形成大量硅酸盐类夹杂物的 主要原因.
(３)建议优化冶炼工艺制度,提高钢液洁净度, 降低夹杂物含量,改善夹杂物的分布形态,避免类似 质量事故的再发生.
参考文献:
[１] 林双平,苗明明,张岩,等．建筑用高强抗震钢筋[J]． 金属热处理,２０１２,３７(７):１０２Ｇ１０５．
[２] 上海交通大学«金属断口分析»编 写 组．金 属 断 口 分 析[M]．北京:国防工业出版社,１９７９．
[３] 李海明．４０Cr钢汽车半轴断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１６,５２(８):５８９Ｇ５９３．
[４] 高海军,邹宗明,马林虎,等．抽油泵凡尔罩断裂失效 分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(４):２８４Ｇ２８７．
[５] 上海交通大学金相分析编写组．金相分析[M]．北京: 国防工业出版社,１９８２．
[６] 上海市机械制造工艺研究所．金相分析技术[M]．上 海:上�？蒲Ъ际跷南壮霭嫔�,１９８７．
[７] 杜增路,刘 纯 星,王 学 安,等．?４０ mm 大 规 格 HRB５００E抗震钢筋工艺试制实践[J]．冶金标准化与 质量,２０１３,５１(１):４２Ｇ４４．
[８] 王新华,陈斌,姜敏,等．渣Ｇ钢反应对高强度合金结构 钢中生成较低熔点非金属夹杂物的影响[J]．钢铁, ２００８,４３(１２):２８Ｇ３２．
[９] 张爱梅．非金属夹杂物对钢性能的影响[J]．物理测 试,２００６,２４(４):４２Ｇ４４．
[１０] 王春亮．法兰开裂 原 因 分 析 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２０１３,４９(２):１１３Ｇ１１６．
文章来源——材料与测试网