摘 要:采用力学性能测试、宏观观察、扫描电镜及能谱分析等方法研究了自然时效对PSB830 高强度精轧螺纹钢筋力学性能的影响。结果表明:自然时效后,钢筋的屈服强度先下降后提高到初 始结果附近,抗拉强度先升高后趋于稳定,断后伸长率有大幅度的提高;自然时效前,断后伸长率较 低的原因是氢在夹杂物附近聚集;时效过程中,在内应力释放、析出相以及氢缓慢释放的综合作用 下,氢的聚集程度降低,使得钢筋的断后伸长率有较大幅度的提升。
关键词:高强度精轧螺纹钢筋;自然时效;断后伸长率;内应力;析出相
中图分类号:TB31 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)05-0001-04
PSB830、PSB930系列高强度精轧螺纹钢筋是 常用的预应力混凝土用螺纹钢筋,具有强度高、精度 好等特点,被广泛用于高速公路、高速铁路的大型桥 梁工程中。对经过控轧、控冷后的精轧螺纹钢筋进 行拉伸试验,结果显示大多数钢筋的断后伸长率不 大于3%。一般需要经过45~60d的自然时效或 200℃,1~2h的人工时效后,钢筋的断后伸长率才 能合格。许多专家学者对时效后钢筋断后伸长率的 变化情况进行了研究,曹重等[1]发现在自然时效后, HRB400E钢筋试样的断后伸长率提高,主要原因 是去氢作用;刘宏玉等[2]发现自然时效对英标余热 处理钢筋的断后伸长率影响不大;李雪峰[3]发现21 d自然时效后,PSB830钢筋断后伸长率不合格的主 要原因是回火不充分。预应力钢筋与普通螺纹钢、 英标钢筋的化学成分和性能均有较大差异,笔者采 用力学性能测试、宏观观察、扫描电镜(SEM)及能 谱分析等方法,研究了自然时效对 PSB830钢筋力 学性能的影响。
1 试验材料
选择日常生产的直径为32mm 的 PSB830精 轧螺纹钢筋,其化学成分分析结果如表1所示。钢 筋的轧制过程选用180mm×180mm(长度×宽 度)的热送连铸小方坯,采用超快冷方式冷却,使钢 筋表层组织为马氏体,心部组织为铁素体+珠光体; 在进一步的冷却过程中,内部的温度较高,表层组织 由马氏体转变为回火索氏体,心部组织为呈网状分 布的块状铁素体+珠光体(见图1)。
2 试验方法及结果
2.1 力学性能测试
图2为5组典型试样力学性能随时效天数的变 化情况,每组2个试样,试验结果取平均值。从图2 可以看出:试样的屈服强度随着时效时间的延长呈 先降低后升高的趋势,最终回复到初始值附近,时效 天数为60d时,平均值增加了2.7%;试样的抗拉强 度前期上升明显,后期基本稳定,时效天数为60d 时,平均值增加了12%;断后伸长率和抗拉强度的 变化规律基本一致,均有大幅度的提升,断后伸长率 在后期的增长幅度更大,时效天数为60d时,平均 值从3.0%提高到了9.6%,增幅达2倍以上。
2.2 宏观观察
对时效前拉伸试样的断口进行宏观观察,结果 如图3所示。从图3可以看出:断口整体呈脆性断 裂特征,剪切唇很少,断口上有明显的放射条纹,条纹收敛处为断裂源,断裂源位于断口的边缘或内部, 部分断口表现为黑心白点宏观形貌。
2.3 SEM 及能谱分析
2.3.1 时效前
对时效前拉伸试样断口1~4进行SEM 分析, 结果如图4所示。由图4可知:断口1呈边缘起裂 特征,试样边缘有呈椭圆形的平整断裂平台,中心为 夹杂物脱落的孔洞,孔洞的底部有裂纹,该区域以外 为放射条纹;夹杂物周围的断口呈准解理+少量解 理特征,且伴随有二次裂纹,放射区域呈解理特征; 断口2的裂纹源同样位于断口的边缘,但没有明显 的断裂平台,夹杂物周围呈沿晶断裂特征;断口3中 心有黑心白点,断裂源为夹杂物,其周围基体呈准解 理断裂特征,含有二次裂纹;断口4的中心有一个超 大尺寸夹杂物,夹杂物周围呈准解理断裂特征。采 用能谱仪对断口4中心的夹杂物进行分析,发现其 主要含有Ca、Al、Si、Mg、O等元素。
2.3.2 时效后
经过60d自然时效后,试样的断后伸长率达到 标准要求,典型断口的SEM 形貌如图5所示。由 图 5 可 知:断 裂 源 位 于 试 样 的 边 缘,深 度 约 为 0.96mm,裂纹源处呈与放射条纹垂直的海滩状花 纹,断口呈韧性断裂特征;断口未观察到夹杂物。
3 综合分析
由SEM 分析结果可知:时效前PSB830钢筋断 裂源处含有夹杂物,其周围为准解理形貌或沿晶断 裂形貌,符合“鱼眼”特征[4-5]。说明钢中含有一定量 的氢,在受到拉应力时,夹杂物周围产生了氢脆,钢 中的氢含量和所受应力大小不同等因素导致断口形 貌产生差异[6]。轧制后,在冷却过程中,材料内部的 氢重新分布,部分氢向内部未转变的高温区迁移。 随着温度的下降,氢的溶解度及扩散系数大幅度降低,内部过饱和的氢向夹杂物、晶界面、显微空隙等 缺陷处富集[7],导致局部区域的氢含量较高。
室温下,PSB830钢筋的外层组织为回火索氏 体,内层组织为碎块状铁素体+珠光体。钢筋内层 和外层的组织不同,以及轧制应力的残余造成试样 中存在较大的残余应力,加剧了氢向夹杂物等缺陷 处的聚集程度。随着塑性变形增加,在拉应力和残 余应力的叠加作用下,位错携带的氢被内部夹杂物 周围的应力场捕获,导致其周围基体原子间的键合 力降低,呈现出氢脆准解理特征或沿晶断裂特征。 缺陷处的裂纹会造成钢筋在未达到最大拉力前发生 断裂,使其抗拉强度降低。
经过60d自然时效后,裂纹源区未观察到夹杂 物,断裂源主要出现在回火索氏体所在的区域。在 时效过程中,应力状态和析出相均会影响氢的扩散 和溶解,且可扩散的氢比捕获的氢对材料力学性能 的影响更大。在时效前,钢中的氢主要以可扩散的 方式存在,在内应力的叠加作用下,氢可以快速扩 散、聚集到缺陷区域。在时效过程中,内应力逐渐释 放,畸变程度降低,使得屈服强度降低;氢的聚集程 度降低,使得断后伸长率明显升高。钢中含有一定 量的 V 元素,在时效过程中,V 元素以 VN 或 V (CN)颗粒形式缓慢析出,减少了 C、N 等元素在晶 界和位错处的偏聚[8-9],且析出相为氢的强陷阱,其 与氢的结合能较大,属于不可逆氢陷阱。析出相对 氢的捕获,以及析出相数量的增加,降低了氢的扩散 速率,减轻了氢的聚集程度,进而降低了钢筋的氢脆 敏感性,使夹杂物等缺陷附近的氢含量低于形成裂 纹的临界氢浓度[10]。
综上所述,在时效时间较短的情况下,内应力释 放导致的氢聚集程度降低占主导地位。内应力的释 放使应力诱导作用减弱,氢聚集程度降低,从而导致 断后伸长率升高。内应力的释放还导致畸变程度降 低,从而使钢筋的屈服强度降低。随着时效时间的 延长,析出相的陷阱作用占主导地位。在受到拉应 力时,析出相的氢陷阱作用降低了氢的聚集程度,从 而导致断后伸长率大幅度升高。析出相对位错产生 钉扎作用,增加了抗塑性变形能力,导致屈服强度略有提高。
4 结论及建议
(1)在自然时效过程中,精轧螺纹钢筋的屈服 强度先下降后提高到初始值附近,抗拉强度先升高 后趋于稳定,断后伸长率大幅度提高,平均增幅达 200%以上。
(2)精轧螺纹钢断后伸长率偏低主要是因为氢 元素在夹杂物附近聚集。在时效过程中,钢筋的力 学性能影响因素有内应力、析出相以及氢的扩散等。 断后伸长率的升高主要与内应力的释放、析出相的 氢陷阱作用有关,两者均会导致氢的聚集程度降低。 建议在轧制前增加一道连铸坯缓冷环节,以加快钢 中氢的扩散,缩短后续的时效时间。
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