摘 要:超高強抗震鋼筋在進行彎曲試驗時發生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡 分析、金相檢驗、中心偏析檢驗等方法,對彎曲試樣斷裂的原因進行分析。結果表明:熱軋前加熱溫 度較高,變形后奧氏體晶粒長大,使得珠光體團尺寸增大、珠光體含量增多;冷卻緩慢導致網狀鐵素 體沿奧氏體晶界析出,使材料的塑性和韌性下降,最終導致試樣在彎曲試驗時發生斷裂。
關鍵詞:超高強抗震鋼筋;彎曲斷裂;珠光體團;網狀鐵素體
中圖分類號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)05-0030-04
隨著國內建筑行業的發展,大型公共建筑、高層 住宅建筑及重大科技基礎設施工程建筑等復雜結構 對熱軋帶肋鋼筋承載能力的要求越來越高。同時, 為了減少地震、臺風和泥石流等自然災害對人們生 命財產造成的損失,并降低建筑鋼材工程總用量,以 實現節能減排的目的,高強度、高延性、高韌性和高 屈強比的抗震鋼筋在建筑、橋梁、電力、石油等領域 得到了廣泛的應用。
近期某公司生產的超高強抗震鋼筋在進行彎曲 試驗時,多個試樣發生斷裂。采用宏觀觀察、化學成 分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗、中心偏析 檢驗等方法,對該批次斷裂試樣進行研究,并與同批 次彎曲正常試樣進行對比,確定其彎曲斷裂原因,以 期為生產工藝優化提供方向。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
彎曲斷裂試樣斷口的宏觀形貌如圖1所示,由 圖1可知:試樣1~4的斷口平齊,無明顯頸縮與變 形,呈灰色纖維狀,有明顯的放射線花樣,屬于正斷 類型的脆斷斷口;斷裂起源于表面,斷口存在裂紋。
1.2 化學成分分析
采用 SPECTRO Lab11 型 直 讀 光 譜 儀 對 試 樣1和同批次彎曲正常試樣進行化學成分分析, 結果如表1所示,可見試樣1的化學成分符合技 術要求。
1.3 SEM 分析
采用ZEISSEVO18型鎢燈絲 SEM 對試樣1 的斷口進行觀察,結果如圖2所示。由圖2可知:裂 紋源區未發現裂紋、夾雜等缺陷,裂紋源區與裂紋擴展區均呈準解理形貌,斷口存在短而不連續的河流 花樣形貌,并可見較多的撕裂棱特征,沿晶有二次 裂紋。
1.4 金相檢驗
在試樣1、試樣2和同批次彎曲正常試樣上分 別截取金相試樣,使用ZEISSAxioObserver.7m型 光學顯微鏡對其進行觀察。在試樣1和試樣2的縱 向截面上均發現大量灰色硫化物,呈短條狀分布(見 圖3)。同批次彎曲正常試樣的整個縱截面上分布 著大量呈短條狀的灰色硫化物 (見圖 4)。依據 GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測 定 標準評級圖顯微檢驗法》中的 A 法對試樣1、試 樣2和同批次彎曲正常試樣進行非金屬夾雜物評 定,結果如表2所示。
采用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液將試樣1、 試樣2和同批次彎曲正常試樣進行腐蝕,并觀察其 顯微組織形貌,結果如圖5~7所示。由圖5~7可 知:試樣1和試樣2的顯微組織均為塊狀鐵素體+網狀鐵素體+片狀珠光體+少量魏氏體;試樣1整 個縱截面區域分布著由網狀鐵素體包圍的珠光體 團,且 珠 光 體 團 尺 寸 相 對 較 大,平 均 截 距 為 67.3μm,整 個 縱 截 面 鐵 素 體 的 平 均 截 距 為 14.1μm,從邊部至中心3個位置的珠光體含量依次 為70%,73%,70%;試樣2縱截面區域1/2半徑至 中心位置含有大量由網狀鐵素體包圍的珠光體團, 珠光體團的平均截距為47.6μm,邊部組織較為均 勻,整個縱截面鐵素體的平均截距為16.8μm,從邊 部至中心 3 個位置的珠光體含量依次為 58%, 66%,68%;同批次彎曲正常試樣的顯微組織為塊狀 鐵素體+網狀鐵素體+片狀珠光體+少量魏氏體, 邊部組織相對比較均勻,1/2半徑至中心位置分布 有沿加工方向的帶狀組織,網狀鐵素體的含量較少, 基本呈半封閉狀態,珠光體團的平均截距為40μm, 整個縱截面鐵素體的平均截距為14.1μm,從邊部至中心3個位置的珠光體含量依次為46%,52%, 55%。
1.5 中心偏析檢驗
在試樣2上取樣,參照 YB/T4413—2014《高 碳鋼盤條中心偏析金相評定方法》,采用體積分數為 4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后對其進行觀察,可見試樣 2的中心偏析為0級,即在中心區域未發現明顯偏 析(見圖8)。
2 綜合分析
從彎曲斷裂試樣斷口的宏觀、微觀形貌和頸縮 變形情況可以判斷,試樣斷裂性質為脆性斷裂中的 準解理斷裂,起始裂紋源存在于試樣表面,斷口未發 現明顯缺陷。斷裂試樣的化學成分滿足設計要求。
試樣1和試樣2中 A 類硫化物和 C類硅酸鹽 的含量較多,且 A類硫化物分布于試樣的整個縱截 面,說明非金屬夾雜物是導致試樣彎曲斷裂的因素 之一。試樣1整個縱截面分布有網狀鐵素體,珠光 體團的平均截距為67.3μm,鐵素體的平均截距為 14.1μm,珠光體團的尺寸較大,珠光體的平均含量 為71%;試樣2縱截面的邊部組織較均勻,從邊部 至中心3個位置的鐵素體尺寸基本相同,網狀鐵素 體含量逐漸增多,珠光體團的尺寸增大,珠光體含量 逐漸增多,珠光體的平均含量為64%,其中1/2半 徑至中心位置珠光體的平均含量為67%。
網狀鐵素體含量較多、珠光體含量較多、珠光體 團的尺寸較大,會降低材料的塑性和韌性。在亞共 析鋼中,隨著碳元素含量增多,珠光體含量增多,熱 變形后冷卻緩慢會促進網狀鐵素體的形成。在保證 鋼坯變形量充足的條件下,隨著加熱溫度的升高,奧 氏體晶粒尺寸增大,會導致珠光體團尺寸增大,珠光 體含量增多[1-3]。結合試樣2的顯微組織特征,對其 進行了中心偏析檢驗,未發現中心偏析現象。該鋼 坯在開軋前加熱至1200℃,加熱溫度過高,熱變形后冷卻速率較慢,使得奧氏體晶粒迅速長大,同時為 碳原子的擴散提供了熱力學條件,鐵素體的析出使 得碳原子進入未轉變奧氏體中,促進了未轉變的奧 氏體發生共析轉變,珠光體團的尺寸增大,珠光體含 量增多,并沿晶界形成了網狀鐵素體,降低了材料的 塑性和韌性。
同批次彎曲正常試樣的化學成分、非金屬夾雜 物等級、硫化物分布形態與彎曲斷裂試樣的基本一 致,說明非金屬夾雜物不是導致試樣彎曲斷裂的主 要因素。同批次彎曲正常試樣的顯微組織較細,網 狀鐵素體含量較少,珠光體的平均含量為51%,并 且有明顯沿加工方向的帶狀組織,說明該材料在進 行變形時加熱溫度較低。因此,加熱溫度過高和熱 變形后冷卻緩慢形成的網狀鐵素體是導致試樣彎曲 斷裂的主要原因。
3 結論
超高強抗震鋼筋彎曲斷裂的原因為:熱軋前加 熱溫度過高,珠光體團尺寸增大,珠光體含量增多, 材料的塑性和韌性下降;緩慢冷卻時沿晶界析出的網狀鐵素體嚴重割裂了珠光體之間的聯系,使材料 的塑性和韌性嚴重降低,最終導致鋼筋在彎曲試驗 時發生斷裂。
參考文獻:
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